그래핀에 접힘이 발생하는 메커니즘(그림제공:IBS)© 뉴스1

기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단(단장 로드니 루오프)이 세계 최초로 접힘과 적층이 없는 완벽한 단결정 그래핀을 수십인치 크기의 대면적(lagre-scaled)으로 제작하는 데 성공했다.

이번 연구로 전자, 기계 등 다양한 분야에서 우수한 성능의 그래핀을 활용할 수 있는 길이 열릴 것으로 기대된다.26일 IBS에 따르면 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 존재해 그래핀의 기계적‧전기적 물성을 떨어뜨리는 요인이 됐다.연구진은 2019년 적층 없는 그래핀 제작까지는 성공했지만, 접힘 문제까지는 해결하지 못했다.

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

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

이에 연구진은 접힘이 발생하지 않도록 1030K(756.85도) 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.

‘무결점 그래핀’의 모습(그림제공:IBS)© 뉴스1

전하이동도가 높을수록 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 “7년의 장기연구가 결실을 맺은 것으로, 향후 무결점 그래핀의 독특한 물성을 추가로 연구할 계획”이라고 말했다.

한편, 이번 연구성과는 세계 최고 권위 국제학술지 ‘네이처’에 26일 게재됐다.


km5030@news1.kr