상온에 가까운 저온에서 원하는 기판에 그래핀*을 직접 합성하는 신기술이 국내 연구자들의 주도로 개발되었다.
*) 그래핀(Graphene) : 흑연의 표면층을 한 겹만 떼어낸 탄소나노물질로, 구리보다 100배 이상의 전기전도성과 강철보다 200배 이상의 강도를 지녀 향후 응용 가능성이 높아 꿈의 신소재로 불림
권순용 교수(35세)가 주도하고 곽진성 박사과정생(제1저자), 김성엽 교수, 박기복 교수(이상 울산과기대) 및 김영운 교수, 윤의준 교수(이상 서울대)와 수닐 코담바카 교수(美 UCLA)가 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 일반연구자지원사업(기본연구)과 WCU육성사업 등의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 세계 최고 권위의 과학전문지 ‘네이처’의 자매지인 ‘Nature Communications’지에 1월 24일자로 게재되었다.
(논문명: Near room-temperature synthesis of transfer-free graphene films)
특히 이번 연구결과는 국내 신진 연구자들이 주축이 되어 일궈낸 값진 성과로서, 그 중요성을 인정받아 네이처 커뮤니케이션에서 ‘저온에서 만들어진 그래핀(Graphene formed at low temperature)’이라는 제목으로 직접 언론에 공식 발표되는(Press Releases) 영예를 얻었다.
권순용 교수 연구팀은 지금까지 고온(1,000oC)에서 금속기판에 그래핀을 합성한 후 그래핀을 떼어내 원하는 기판에 전사(轉寫)하는 한계를 극복하여, 상온에 가까운 저온(기존의 1/5, 200oC 이하)에서 원하는 기판에 그래핀을 직접 합성하는 새로운 기술 개발에 성공하였다.
2004년 자연광물인 흑연에서 떼어낸 마이크로미터(100만분의 1미터) 크기의 그래핀 조각이 매우 우수한 물리적, 전기적 특성을 지닌다는 사실이 발견되어 실리콘을 대체할 차세대 나노물질로 떠올랐으나, 이 방법으로 얻은 그래핀 조각은 크기가 너무 작고 모양이 불규칙하여 실생활에 직접 응용할 수 없었다.
2009년 새로운 방법(화학기상증착법, CVD[Chemical Vapor Deposition])으로 금속기판 위에 센티미터 크기의 그래핀을 합성할 수 있다는 사실이 실험적으로 증명되었고, 지난 2010년에는 넓은 면적(30인치, 대면적)의 그래핀을 합성하여 투명전극으로 응용할 수 있음을 확인하였다.
그러나 CVD로 그래핀을 합성하려면, 먼저 1,000oC에서 금속기판 위에 그래핀을 합성한 후 원하는 기판으로 전사하는 복잡한 공정이 필요했다. 일부 연구팀에서는 다른 공정(롤투롤 공정)으로 그래핀 전사의 문제점을 해결하고자 하였으나, 추가공정이 필요해 대량생산의 어려움에 직면했다.
권 교수팀은 상온에 가까운 저온에서 탄소원자가 스스로 금속표면 위에서 확산하고 벌집 모양의 원자간 결합하는 현상을 이용하여 그래핀을 대상기판 위에 형성하는 새로운 기술(DAS[Diffusion-Assisted Synthesis])을 개발하였다.
이 방법을 이용하면 어떠한 기판(단단한 산화 실리콘 기판 및 유리, 플라스틱 기판 등)에도 그래핀을 직접 만들 수 있는 장점이 있다.
연구팀이 개발한 DAS기술을 이용하면 그래핀의 결정립 크기도 자유자재로 조절할 수 있다.
‘꿈의 신소재’로 불리는 그래핀의 탁월한 물리적？전기적 특성들은 흑연에서 떼어낸 그래핀 조각처럼 결정립계*가 거의 없는 단결정 탄소층에서 얻을 수 있는 것으로서, 인공적으로 합성된(CVD 등) 대면적 그래핀은 내부에 결정립계가 많아 물리적, 전기적 특성이 현저히 떨어져 현재 활용하는데 한계가 있다.
*) 결정립계 (結晶粒界): 결정립과 결정립과의 경계를 의미하며, 결정립은 하나의 결정체를 의미함
연구팀이 개발한 DAS기술은 그래핀의 물리적, 전기적 특성을 조절하기 위한 그래핀의 결정립 크기 제어가 가능하다는 사실을 처음으로 보여준 의미 있는 결과로서, 추후 그래핀 내부에 존재하는 주요 결함 원인인 결정립계를 줄일 수 있는 가능성을 제시한 획기적인 기술로 평가된다.
권순용 교수는 “이번 연구는 비교적 간단한 장비와 방법으로 저온에서 그래핀을 원하는 기판에 직접 형성하는 기술을 개발한 것으로, 차세대 그래핀 산업에 응용되는 핵심 기술이 될 것으로 기대된다”고 연구의의를 밝혔다.
