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그래핀 결함 구리 '녹 자국'으로 찾아낸다

권순용‧김성엽 UNIST 교수팀 연구
공기 중 열처리로 손쉽게 조사···고품질 그래핀 성장‧제어 기대
국내 연구진이 그래핀에 생긴 결함(defects)이 한눈에 보이는 기술을 개발했다. 그래핀 상태를 간편하게 진단하고, 그래핀 결함이 발생하는 원리와 과정까지 밝혀졌다.

UNIST(총장 정무영)는 권순용 신소재공학부 교수팀과 김성엽 기계항공·원자력공학부 교수팀이 구리 기판에 성장시킨 그래핀 결함을 광학현미경과 전자현미경으로 간단히 찾아내는 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.

그래핀(Graphene)은 탄소 원자 한 층의 얇은 물질이며, 지난 2010년 노벨 물리학상에 선정되며 주목 받았다. 이 물질은 강철보다 단단하고, 열이나 전기를 잘 전달한다. 또 유연한 성질이 있어 투명전극·에너지용 전극·차세대 반도체 등에 쓰일 '꿈의 신소재'로도 불린다. 그러나 대면적 그래핀을 제작하는 과정에서 생기는 결함 때문에 상용화가 어려웠다.

기존에도 그래핀 결함을 찾아내는 기술은 있었다. 그래핀 위에 액정(LCD)을 코팅하거나, 자외선(UV)를 쪼여 달라진 부분을 확인하는 방식이었다. 그러나 이 기술들은 다른 물질이나 장비가 필요한데다 복잡하다는 단점이 있었다.

이번 연구에서는 그래핀을 공기 중에서 200℃ 이하로 열처리하면서 나타난 현상을 관찰하는 간단한 방법을 개발했다. 그래핀에 결함이 있으면 공기 중 수분이 스며들어 구리 기판을 산화시키는데, 이때 생긴 녹 자국을 전자현미경으로 촬영해 나노미터(㎚) 크기로 시각화한 것이다.

연구진은 그래핀 결함을 파악하기 위한 실험 결과를 전산모사기법으로 시뮬레이션하면서 의미 있는 결과를 거뒀다.

화학기상증착으로 그래핀을 생성할 때 결함이 생기는 원리와 과정이 원자 수준에서 밝혀졌다. 또 그래핀 결함이 구리 기판의 방향성과 화학증착 조건에 크게 영향을 받는다는 점도 알려졌다.

연구진은 향후 고품질 대면적 그래핀을 성장시키고, 결함을 미세하게 제어하는데 이 기술이 크게 기여할 것으로 내다봤다. 
  
권순용 교수는 "앞으로 구리 기반 전자소자 연결 소재 영역에서 그래핀을 도입할 발판을 마련했다"며 "고품질 그래핀 시트를 기반으로 다양한 차세대 전자소자에 그래핀을 적용하는 연구가 가속화될 것"이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업, 바이오의료기술개발사업, ICT R&D 과제를 통해 이뤄줬다. 연구 결과는 '네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)'에 지난 16일자 온라인판에 게재됐다. 

대면적 그래핀을 200도씨에서 가열했을 때 나타는 현상. 왼쪽부터 30분 60분 90분 120분이 지나면서 녹 자국이 나타난다.<자료=UNIST 제공>대면적 그래핀을 200도씨에서 가열했을 때 나타는 현상. 왼쪽부터 30분 60분 90분 120분이 지나면서 녹 자국이 나타난다.<자료=UNIST 제공>
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