IBS(원장 노도영·기초과학연구원)는 로드니 루오프 다차원 탄소재료 연구단장이 다 루오 연구위원(공동 교신저자), 메이훼이 황 연구원(제1저자)과 함께 접힘과 적층(겹침)이 없는 단결정 그래핀을 대면적으로 제작하는 데 세계 최초로 성공했다고 26일 밝혔다.

그래핀은 탄소 원자들이 벌집처럼 육각형으로 나열된 2차원 물질이다. 얇고 투명하며 신축성도 뛰어난 특성이 있다. 또 강철보다 200배 이상 강하고, 구리보다 100배 이상 전자의 이동성이 빠르며, 다이아몬드와 유사한 열 전도성을 지녀 탁월한 물성으로 주목받아 왔다.

하지만 부분적으로 여러 층의 그래핀이 겹쳐진 '적층 구역'이나 주름진 '접힘 부분'이 나타나 그래핀의 기계적‧전기적 물성을 떨어뜨리는 요인이 됐다. 연구진은 그래핀의 성장 후 냉각 과정에서 접힘이 발생한다는 점에 착안하여 접힘이 일어나는 온도를 조사해 '무결점 그래핀' 제작에 성공했다.

통상 그래핀은 1320K(1046.85℃) 이상의 고온에서 합성된 후 실온까지 냉각한다. 연구진은 1030K(756.85℃) 이상의 온도에서 접힘이 형성됨을 발견했다. 여기에 접힘이 발생하지 않도록 1030K(756.85℃) 이하의 저온에서 그래핀을 성장 시켜 냉각과정을 거쳐도 접힘 및 적층이 없는 그래핀을 만들어냈다.

연구진이 개발한 그래핀을 활용하면 소재의 위치나 방향과 무관하게 항상 같은 효율을 내는 고성능 집적 회로를 만드는 것이 가능하다. 무결점 그래핀을 다른 2차원 재료와 함께 적층해 소자를 만들면 전자, 광자, 기계와 같은 다양한 분야에서 우수한 성능을 끌어낼 수 있다.

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

무결점 그래핀의 대량 생산 가능성도 입증됐다. 연구진은 구리-니켈(Cu-Ni(111)) 호일을 기판으로 사용해 4×7cm² 크기의 무결점 그래핀 5장을 동시에 제조하는 데도 성공했다. 호일을 5번 재사용해도 중량 손실이 0.0001g에 불과해 무한정 재활용이 가능하다.

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 본 것으로 향후 무결점 그래핀의 독특한 물성을 추가로 연구할 계획"이라고 말했다.