'꿈의 신소재' 그래핀, 세계 최초로 무결점 제작 성공

IBS 다차원탄소재료 연구단 성과..대량 생산 가능성도 입증

'무결점 그래핀'의 모습 (서울=연합뉴스) 이번 연구에서 제조한 접힘과 적층이 없는 단결정 그래핀의 광학현미경(왼쪽) 및 전자현미경(오른쪽) 이미지. 소재 전체에 걸쳐 균일한 '완벽한 원자 한 층'을 이루고 있음을 확인할 수 있다. 2021.8.26 [과학기술정보통신부 제공]

(서울=연합뉴스) 오수진 기자 = 기초과학연구원(IBS) 연구진이 세계 최초로 접힘과 적층이 없는 무결점 그래핀을 제작하는 데 성공했다.

과학기술정보통신부는 IBS 다차원 탄소재료 로드니 루오프 연구단장이 이끄는 연구팀이 완벽한 단결정 그래핀을 제작하는 데 세계 처음으로 성공했다고 26일 밝혔다.

그래핀은 탄소 원자들이 벌집과 같이 육각형으로 나열된 2차원 물질이다. 얇고 투명하지만, 강철보다 200배 이상 강하고 구리보다 100배 이상 전자의 이동성이 빠르며 다이아몬드와 유사하게 열 전도성이 높다.

그래핀은 반도체 분야에서 '꿈의 신소재'로 불릴 만큼 큰 주목을 받고 있지만, 기계적·전기적 물성을 떨어뜨리는 적층과 접힘의 문제를 모두 해결한 완벽한 2차원 그래핀을 제작한 사례는 지금까지 없었다.

그래핀에 접힘이 발생하는 매커니즘 (서울=연합뉴스) 그래핀의 접힘 부분을 전자현미경(a,b) 및 원자현미경(c)으로 촬영한 모습. 통상 그래핀은 1320K 이상의 고온에서 성장하는데, 냉각되는 과정에서 접힘이 발생한다. 연구진의 분석결과 약 1030K 이상의 온도에서 접힘이 발생하는 것으로 확인됐다. 2021.8.26 [과학기술정보통신부 제공]

지난 2019년 적층 없는 그래핀 제작에 성공한 루오프 연구팀은 그래핀의 성장 후 냉각 과정에서 접힘이 발생한다는 점에 착안해 접힘이 일어나는 온도를 조사했고 1030K(756.85℃) 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.

이번에 합성된 무결점 그래핀의 전하 이동도는 실리콘과 비교해 7배, 기존 그래핀보다 약 3배 높았다. 전하이동도는 높을수록 더 적은 전력으로 높은 성능을 낼 수 있다.

연구팀은 구리-니켈(Cu-Ni(111)) 호일을 기판으로 사용해 4×7㎠ 크기의 무결점 그래핀 5장을 동시에 제조하는 데 성공해 대량 생산 가능성도 입증했다.

연구팀은 "접힘과 적층이 없는 단결정 그래핀을 활용하면 소재의 위치나 방향과 무관하게 항상 같은 효율을 내는 고성능 직접 회로를 만들 수 있다"며 "무결점 그래핀을 다른 2차원 재료와 적층해 사용하면 지금까지 개발되지 않았던 놀라운 성능의 소재를 개발할 수 있을 것"이라고 설명했다.

루오프 단장은 "7년의 장기연구가 결실을 보았다"며 "향후 무결점 그래핀의 독특한 물성을 추가로 연구할 계획"이라고 말했다.

이번 연구 성과는 자연 과학 분야 세계 최고 권위 국제학술지 네이처에 이날 게재됐다.

로드니 루오프 IBS 다차원 탄소재료 연구단 단장 [과학기술정보통신부 제공]

kiki@yna.co.kr

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