그래핀 10만층 쌓은 단결정 흑연 만들어..."완벽 수준 갖췄다"

펑 딩 울산과학기술원(UNIST) 신소재공학과 교수. UNIST 제공

국내 연구팀이 안정적으로 그래핀을 10만 겹 쌓아 올리는 기술을 개발했다. ‘꿈의 신소재’라 불리는 그래핀은 열 전도도와 전기 전도도가 높고 안전성이 뛰어나 디스플레이나 배터리 효율을 높일 것으로 기대된다. 그래핀을 두껍게 쌓아 올릴수록 품질이 높아지나 그래핀 층간 고정력이 약해 쉽게 으스러지는 문제가 존재했다.

펑 딩 울산과학기술원(UNIST) 신소재공학과 교수(기초과학연구원 다차원탄소재료 연구단 그룹리더)는 30일 “그래핀 층간 간격이 이제껏 나온 어떤 사례보다 조밀하다. 그래핀이 조밀할수록 강도가 뛰어나다”며  이 같은 연구결과를 국제학술지 ‘네이처 나노테크놀로지’에 27일 공개했다고 밝혔다.

연구팀이 쌓아 올린 그래핀의 두께는 35μm(마이크로미터, 100만분의 1미터) 정도다. 열 전도율이 구리와 비교해 약 7배 뛰어난 것으로 분석됐다. 불순물 함량이 0에 가까우며 단결정 형태다. 연구팀은 “기존 그래핀들은 층 사이가 잘 고정되지 않아 다결정 형태로 쉽게 으스러졌다”며 “결정이 여러 개로 분리된 다결정은 단결정보다 품질이 떨어진다”고 설명했다.

연구팀은 기존과 다른 방식으로 그래핀을 쌓아 올렸다. 일반적으로 쓰는 기체가 아닌 고체 상태 탄소 원료를 활용했다. 연구팀은 “천천히 그래핀 합성을 진행해 질의 균일성을 확보했다”며 “합성 시간은 최대 100시간이 소요된다”고 말했다. 

그래핀을 성장시키는 기판으로 특수 니켈 필름을 썼다. 니켈 필름은 평평한 단면 모양을 가져 그 위에 성장시킨 그래핀들 역시 안정적으로 층을 쌓아갔다는 설명이다. 그래핀을 쌓아 만든 흑연 필름의 면적은 약 1 in2(제곱인치) 정도다. 기존 흑연 필름 면적은 mm(밀리미터) 정도에 머물러 왔다.

연구팀은 이번 기술이 기존 전자기기의 성능을 개선하거나 차세대 전자기기의 부품을 만드는데 쓸 수 있을 것으로 기대했다. 펑 교수는 “그래핀 합성 기술이 나온지 100년이 넘었지만 이 정도로 완벽한 수준의 흑연 필름이 유의미한 크기로 합성된 적이 없었다”며 “일반 흑연보다 열이나 전기의 전도성이 뛰어난 데다 얇고 유연하다”고 밝혔다.
 

[고재원 기자 jawon1212@donga.com]