세계 최초 무결점 그래핀 제작(IBS Nature)

기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단장 로드니 루오프는 접힘과 적층이 없는 완벽한 단결정 그래핀을 대면적으로 제작하는데 세계 최초로 성공했다.

* 그래핀(Graphene) : 탄소의 동소체 중 하나로, 탄소 원자들이 모여 2차원 평면을 이루고 있는 구조다. 각 탄소 원자들은 육각형의 격자를 이루며, 육각형의 꼭짓점에 탄소 원자가 위치하고 있는 모양이다. 두께는 0.2nm 수준으로 엄청나게 얇으면서 물리적․화학적 안정성도 높다.

과학기술정보통신부와 IBS은 이번 성과가 세계 최고 권위 국제학술지 네이처(Nature, IF 49.962)에 8월 26일 0시(한국시간) 게재되었다고 밝혔다.

* 네이처(Nature) 誌 : 연과학 분야 세계최고 권위 학술지(Impact Factor : 49.962)

이번 연구로 접힘과 적층 없는 대면적의 완벽한 단결정 그래핀을 활용하면 소재의 위치나 방향과 무관하게 항상 같은 효율을 내는 고성능 집적 회로를 만드는 것이 가능하게 되었다.

‘무결점 그래핀’을 다른 2차원 재료와 함께 적층하여 사용한다면 지금까지 개발되지 않았던 놀라운 성능을 보이는 소자를 개발할 수 있어 전자, 광자, 기계와 같은 다양한 분야에서 우수한 성능의 그래핀을 활용할 수 있는 길을 연 것이다.

그래핀은 탄소 원자들이 벌집처럼 육각형으로 나열된 2차원 물질이다. 얇고 투명하며 신축성도 뛰어나지만 강철보다 200배 이상 강하고, 구리보다 100배 이상 전자의 이동성이 빠르며, 다이아몬드와 유사하게 열전도성이 높아 탁월한 물성으로 주목받아 왔다.

하지만 부분적으로 여러 층의 그래핀이 겹쳐진 ‘적층 구역’이나 주름진 ‘접힘 부분’이 존재했고 그러한 적층이나 접힘은 그래핀의 기계적‧전기적 물성을 떨어뜨리는 요인이 되었다.

연구진은 2019년에 적층 없는 그래핀 제작까지는 성공했지만, 접힘 문제까지는 해결하지 못했다.

* 연구진은 그래핀 제작에 기판으로 사용되는 시판 구리 호일에 함유된 탄소 불순물로 인해 그래핀에 적층이 생김을 규명하고, 적층 구역이 없는 대면적 그래핀 제작에 성공했다. 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’에 실렸다.

이번 연구에서는 그래핀의 성장 후 냉각 과정에서 접힘이 발생한다는 점에 착안하여 접힘이 일어나는 온도를 조사했고 그 결과 ‘무결점 그래핀’ 제작에 성공했다.

통상 그래핀은 1320K(1046.85℃) 이상의 고온에서 합성된 후 실온까지 냉각하는데, 1030K(756.85℃) 이상의 온도에서 접힘이 형성됨을 발견했다.

이에 접힘이 발생하지 않도록 1030K(756.85℃) 이하의 저온에서 그래핀을 성장시켜본 결과, 냉각과정을 거쳐도 접힘 및 적층이 없는 완벽한 ‘무결점 그래핀’을 합성할 수 있었다.

무결점 그래핀의 전하 이동도는 6~8000㎠/Vs로 실리콘에 비해 7배, 기존 그래핀에 비해 약 3배 높았다. 전하이동도가 높을수록 더 적은 전력으로도 높은 성능을 낼 수 있음을 의미한다.

* 전하이동도(Carrier Mobility) : 외부에서 가해진 전기장에 대한 전자나 정공의 평균 이동 속도비를 의미한다. 즉, 전하가 얼마나 잘 이동하는지를 나타내는 척도다. 수치가 높을수록 저항이 작아 더 적은 전력으로도 높은 성능을 낼 수 있음을 의미한다.

연구진은 대량 생산의 가능성도 입증했다. 구리-니켈(Cu-Ni(111)) 호일을 기판으로 사용해, 4×7㎠ 크기의 무결점 그래핀 5장을 동시에 제조하는 데도 성공했다. 또, 호일을 5번 재사용해도 중량 손실이 0.0001g에 불과해 호일을 무한정 재사용할 수 있다는 것도 장점이다.

IBS 로드니 루오프 단장은 “우리 연구진은 최적의 그래핀을 합성하기 위한 기판의 개발, 그래핀의 적층과 접힘을 없애기 위한 연구 등 ‘무결점 그래핀’ 개발을 목표로 연구를 수행해왔다”며 “7년의 장기연구가 결실을 맺은 것으로, 향후 무결점 그래핀의 독특한 물성을 추가로 연구할 계획”이라고 말했다.

▲ [그림1] 그래핀에 접힘이 발생하는 메커니즘

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.

▲ [그림2]‘무결점 그래핀’을 제조하기 위한 실험 장비

연구진은 대면적 그래핀을 합성할 수 있는 장치(왼쪽)를 자체적으로 개발했다. 가운데는 샘플 홀더이며, 오른쪽 사진은 4×7㎠ 크기로 합성된 ‘무결점 그래핀’ 한 장을 4인치 크기 실리콘 웨이퍼 위에 전사한 모습이다.

▲ [그림3]‘무결점 그래핀’의 모습

이번 연구에서 제조한 접힘과 적층이 없는 단결정 그래핀의 광학현미경(a) 및 전자현미경(b) 이미지. 군데군데 접힘 부분이 보였던 [그림1]의 그래핀과 달리 소재 전체에 걸쳐 균일한 ‘완벽한 원자 한 층’을 이루고 있음을 확인할 수 있다.

출처: 기초과학연구원