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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 대

반도체는 회로의 선폭을 가늘게 만들수록 성능 향상에 유리하다. 단위 면적당 더 많은 소자를 집적할 수 있기 때문이다. 산업계에서는 선폭이 5nm 정도인 ‘5나노 반도체’가 최근 상용화에 들어섰다. 기초과학연구원 (IBS) 다차원 탄소재료 연구단 이종훈 그룹리더(UNIST 교수)와 펑딩 그룹리더(UNIST 교수) 연구팀은 2차원 흑린을 이용해 선폭 4.3Å(0.43nm)의 전도성 채널을 구현했다. 이는 나노미터 한계를 뛰어넘어 옹스트롬(Å‧1Å은 0.1nm) 단위 선폭의 초극미세 반도체 소자 가능성을 실험적으로 제시한 것이다. 이번 연구는 울산과학기술원(UNIST), 포항공대(POSECH)와 공동으로 진행했다. 2차원 흑린은 ‘포스트(post) 그래핀’ 시대의 주역이 될 반도체 소재로 꼽힌다. 두께가 원자 한 층 정도여서 실리콘 기반 반도체로 구현하기 힘든 유연하고 투명한 소자에 이용 가능하다. 또한 2차원 반도체 소재 중 전자이동도가 가장 크다. 그래핀과 달리 ‘밴드갭(band gap)’이 있어 전기를 통하게 했다가 통하지 않게 하는 제어도 쉽다. * 밴드갭(band gap): 물질 속 전자들이 모여 있는 부분과 전자들이 전혀 없는 부분 사이 일종의 장벽으로, 이 공간을 자유전자들이 돌아다니면서 전기를 통하게 한다. 특정 소자를 반도체로 사용하려면 실리콘처럼 밴드갭이 있어 전기를 통하게 했다가 통하지 않게 하는 제어가 가능하다. 그래서 그간 흑린 등 2차원 물질들을 반도체 소자로 활용하려는 시도들이 많이 있었다. 그 결과 물질들의 전기적 특성 측정 및 응용 관점에서 많은 발전도 이루어졌다. 하지만 2차원 물질들을 실제 소자화하는 공정 과정에서 발생하는 결함(defect)에 관한 연구는 상대적으로 미비했다. 이에 연구진은 이 문제를 해결하기 위한 연구에 착수하였다. 연구진은 전극으로 활용될 수 있는 전도성 채널을 만들고자 다층의 2차원 흑린 각 층 사이에 구리 원자를 삽입했다. 이때 흑린에 얇은 구리 박막을 증착한 후 열처리를 하는 간단한 공정을 진행한다. 그러

같은 물질이라도 두께에 따라 물성은 달라진다. 종이 한 장은 약한 힘으로 쉽게 찢을 수 있지만, 여러 장을 찢으려면 많은 힘이 필요하다는 점을 생각해보면 된다. ‘꿈의 신소재’ 그래핀도 마찬가지다. 기초과학연구원 (IBS) 조민행 분자 분광학 및 동력학 연구단장(고려대 화학과 교수) 연구팀은 그래핀의 두께에 따른 습윤 특성 변화를 분자 수준에서 처음으로 규명했다. 습윤성(wettability)은 표면이 물에 젖기 쉬운 정도를 나타내는 성질이다. 이는 친수성에 비례하는 반면, 소수성에는 반비례한다. 다른 증착물질들과 달리 그래핀의 습윤성은 함께 사용되는 기판의 종류에 따라 다르게 나타난다. 기판의 습윤성이 얇은 그래핀을 투과하여 표면으로 전달되기 때문으로 알려졌지만, 그 메커니즘이 명확히 밝혀지진 않았다. 또한 그래핀이 친수성 물질인지, 소수성 물질인지도 알 수 없었다. 지금까지 그래핀 습윤성 연구는 주로 거시적 현상 관찰에 그쳤다. 그래핀 위에 물 한 방울을 떨어뜨리고 그 모양을 통해 습윤성을 파악하는 식이다. 하지만 이런 방식으로는 그래핀 표면의 대략적 특성만 파악할 뿐, 그래핀과 물의 계면에서 일어나는 현상을 분자 수준에서 면밀히 측정하기 어려웠다. * 계면 : 서로 다른 두 개의 상의 경계면을 계면이라 한다. 표면은 단순히 물체의 가장자리 면을 의미하고, 계면은 물체 표면 위에 다른 물질이 올라간 차이가 있다. 전극, 필터 등 실제 응용 환경에서 그래핀은 물과 접촉하고 있다. 따라서 그래핀 자체의 습윤 특성보다는 물과 접촉한 계면에서의 특성을 파악하는 것이 중요하다. 이를 위해 라만 분광법 등을 이용한 실험도 등장했다. 그러나 계면 주변 물 분자의 신호까지 함께 측정하여 계면에서의 현상만 선택적으로 파악하기는 불가능했다. * 라만분광법 : 레이저광을 분자에 쬐었을 때 분자의 진동수만큼의 차이가 있는 산란광을 검출하여 분자의 진동 스펙트럼을 얻는 분광법 IBS 연구진은 ‘합-주파수 생성 분광법’이라는 기술을 이용하면 그래핀-물 계면에 위치한 물 분자의 수소