기초과학연구원(IBS) 연구진이 세계 최초로 접힘과 적층이 없는 무결점 그래핀(Graphene)을 제작했다.
과학기술정보통신부는 IBS 다차원 탄소재료 로드니 루오프 연구단장이 이끄는 연구팀이 완벽한 단결정 그래핀 제작에 세계 처음으로 성공했다고 발표했다.
그래핀은 탄소 원자들이 벌집과 같이 육각형으로 나열된 2차원 물질이며 얇고 투명하지만 강철보다 200배 이상 강하고 구리보다 100배 이상 전자의 이동성이 빠르며 다이아몬드와 유사하게 열 전도성이 높다.
그래핀은 반도체 분야에서 꿈의 신소재로 불릴 만큼 주목받고 있으나 기계적·전기적 물성을 떨어뜨리는 적층과 접힘의 문제를 모두 해결한 완벽한 2차원 그래핀을 제작한 사례는 없었다.
2019년 적층 없는 그래핀 제작에 성공한 루오프 연구팀은 그래핀의 성장 후 냉각 과정에서 접힘이 발생한다는 점에 착안해 접힘이 일어나는 온도를 조사했고 1030K(섭씨 756.85도) 이상의 온도에서 접힘이 형성됨을 발견했다.
연구팀은 접힘이 발생하지 않도록 1030K 이하의 저온에서 그래핀을 성장시켰고 냉각과정을 거쳐도 접힘과 적층이 없는 완벽한 무결점 그래핀을 합성할 수 있었다.
합성된 무결점 그래핀의 전하 이동도는 실리콘(Silicone)과 비교해 7배, 기존 그래핀보다 약 3배 높았다.
연구팀은 구리-니켈(Cu-Ni(111)) 포일을 기판으로 사용해 4×7평방센티미터 크기의 무결점 그래핀 5장을 동시에 제조해 대량생산 가능성도 입증했다.
접힘과 적층이 없는 단결정 그래핀을 활용하면 소재의 위치나 방향과 무관하게 항상 같은 효율을 내는 고성능 직접 회로를 만들 수 있고 무결점 그래핀을 다른 2차원 소재와 적층해 사용하면 그동안 개발되지 않았던 놀라운 성능의 소재를 개발할 수 있을 것으로 기대된다.
로드니 루오프 단장은 “7년의 장기연구가 결실을 보았다”며 “무결점 그래핀의 독특한 물성을 추가로 연구할 계획”이라고 강조했다.
연구 성과는 자연과학 분야 세계 최고 권위 국제학술지인 네이처(Nature)에 8월26일 게재됐다. (강윤화 선임기자)