기초과학연구원(IBS)은 다차원 탄소 재료 연구단 연구진이 울산과학기술원(UNIST)·성균관대·홍콩 과기대 등과 국제 공동연구를 통해 순수하게 한 층으로 이뤄진 대면적 그래핀을 합성했다고 3일 밝혔다. 그래핀은 탄소 원자가 벌집처럼 육각형으로 나열된 2차원 물질이다.
얇고 투명한데도 강철보다 강하다.
열·전기 전도성까지 우수한 편이다. 고성능 그래핀 합성에는 일반적으로 화학 기상 증착법(CVD)이 쓰인다.
얇은 금속 호일(박막) 위에 그래핀을 키우는 방식이다.
CVD를 하다 보면 일부분이라도 여러 층의 그래핀이 겹친 적층 구역이 생겼다. 전 면적에 걸쳐 순수하게 한 층으로 이뤄진 그래핀은 아직 개발된 적 없었다.
적층 구역은 그래핀 물성을 떨어뜨리는 요인으로 작용하기 때문에 이를 없애기 위한 연구가 활발하다.
공동 연구팀은 시중에 파는 구리 포일을 적층 구역 형성 원인으로 지목했다. 포일이 다량의 탄소 불순물을 함유하고 있는데, 이 때문에 부분적인 적층이 생성된다는 사실을 규명했다.
탄소 불순물은 상용 구리 호일 표면 300㎚ 깊이에 집중돼 있다는 것도 밝혀냈다.
연구진은 고온의 수소 열처리로 탄소 불순물을 모두 제거한 구리 포일을 이용해 완전한 원자 한 층의 대면적 그래핀을 만들어 냈다.
추가 실험을 통해 결정립계(일종의 경계면) 없는 완벽한 단결정 그래핀까지 제조했다.
이 그래핀 성능은 기존 것보다 4배 이상 좋았다.
로드니 루오프 IBS 다차원 탄소 재료 연구단장은 "한 층의 대면적 그래핀 합성 연구는 순수한 호기심에서 시작된 연구"라며 "산업계에서 저전력·고성능 소자 개발을 위해 유용하게 사용될 아이디어"라고 말했다. 성과를 담은 논문은 지난 2일 '어드밴스드 머터리얼스'(Advanced Materials)에 실렸다.