그래핀은 탄소 원자들이 육각형의 격자를 이루는 형태로 벌집 모양을 연상시키는 2차원 평면 구조다. 두께가 약 0.2 나노미터(nm, 1nm=10억 분의 1미터)에 불과하지만 기계적 강도가 강철의 200배에 달해 여간해선 부러지지 않고 잘 휘어진다. 구리보다 10배 더 전기가 잘 통하고 실리콘보다 전자 이동 속도가 100배 빠르다. 하지만 그래핀 활용 분야는 주로 육각형 격자 구조 그대로의 평면 그래핀이 가진 고유의 성질을 활용하는 것에 국한되어왔다.

IBS 다차원 탄소재료 연구단 로드니 루오프 단장(UNIST 특훈교수) 연구팀은 ‘엠보싱’을 넣은 것처럼 볼록하게 돌출된 반구 형태의 그래핀을 제작해 기존 평면 그래핀보다 높은 화학적 반응성을 가짐을 실험적으로 확인했다. 그래핀의 평면 격자 구조를 변형하면 탄소원자의 반응성이 달라져 새로운 물성이 발현될 수 있다. 하지만 이 과정은 주로 복잡한 공정들을 수반해 그래핀이 손상되는 경우가 많아 관련 연구가 활발히 이루어지지 않았다. IBS 연구진은 흑연에서 떼어낸 고품질의 그래핀으로 연구에 적합한 크기와 높이를 가지는 엠보싱 그래핀을 만드는데 성공했다.

▲ 원자현미경을 이용한 엠보싱 그래핀 3D 이미지

기판 위에 그래핀 박막을 올린 후 가열해 기판표면에 흡착되어 있던 불순물 분자들을 기화되며 그래핀 안에 갇히어 볼록하게 돌출된 엠보싱 그래핀을 만들었다. 연구진은 라만 분광법을 이용해, 평평한 그래핀 격자에 굴곡이 생기면 탄소 원자간 거리가 늘어나고 장력(tension)이 생기면서 탄소 원자간 결합력이 약해져 화학적 반응성이 높아지는 것을 확인했다. 마치 고무줄을 계속 잡아당기면 양 끝단의 거리가 늘어나고 팽팽해지면서 결국 끊어지게 되듯이, 원자간 결합이 약해지기 때문에 외부 요소에 의한 반응이 일어날 가능성이 높아진다.

▲ 엠보싱 그래핀 형성과정기판상의 그래핀을 가열하면 기판에 흡착되어 있던 분자들이 기화되며 그래핀 안에 갇히어 볼록하게 돌출된 엠보싱 그래핀이 형성된다. 이렇게 형성된 엠보싱 그래핀은 보통 수십 마이크로미터(㎛) 지름을 갖는다.

추가적으로 연구진은 엠보싱 그래핀의 국소부분을 가열하고 라만분광법으로 측정한 수치를 바탕으로 해당 위치의 온도를 계산값으로 산출해 냈다. 이를 이용해 엠보싱 중심점에서 가장자리로 열이 확산되는 속도를 측정해 그래핀 고유의 특성인 높은 열전도성을 확인했다. 이번 연구 전까지 엠보싱 그래핀 내부의 온도를 측정하는 연구는 거의 없었으며, 열전도도 측정도 복잡한 과정을 수반했다.

더 나아가 연구진은 라만 분광법의 단일 파장 레이저 조사가 엠보싱 그래핀의 온도를 상승시킴에 착안하여, 엠보싱 그래핀의 온도를 제어하는 방법을 알아냈다. 엠보싱 그래핀 위에 레이저 빛을 조사하면 입사광과 반사광이 겹치면서 한정된 공간 안에 갇혀서 제자리에서 진동하는 파동인 정상파가 형성된다.

특히 엠보싱 그래핀 중심점에 조사시 최대 정상파가 형성되어 온도가 가장 높아졌고, 가장자리로 갈수록 정상파 형성이 어려워 온도가 낮아진다. 또한 레이저 빛의 강도에 따라 온도 변화의 폭이 결정됨을 실험적으로 밝혀냈다. 레이저 조사 위치와 빛의 강도에 따라 온도를 자유자재로 제어할 수 있게 된 것이다.

▲ 정상파 형성으로 내부 온도가 상승된 엠보싱 그래핀엠보싱 그래핀 위에 레이저 빛을 조사하면 입사광과 반사광이 겹치면서 제자리에서 진동하는 정상파가 형성된다. 최대 정상파가 걸려있는 중심점이 온도가 가장 높고 가장자리로 갈수록 온도가 낮아진다.

이번 연구를 이끈 루오프 단장은 “이번 연구는 라만분광법만으로 쉽게 그래핀의 높은 열전도성을 확인할 수 있다는 것을 보여주었고, 엠보싱 그래핀 온도 조절을 통해 선택적인 반응이 유도되는 메카니즘에 대한 새로운 시각을 제공한다”며, “또한 엠보싱 그래핀에 대한 물리적 성질을 더 이해한다면, 더욱 다양한 응용처를 찾을 수 있을 것”이라고 말했다.

예를 들어 엠보싱 그래핀에 암모니아 가스를 채워 넣어 반응을 유도하면 열 ‧전기 전도도가 좋고 화학적 반응성도 좋은 질소도핑 그래핀이 제작할 수 있는 초소형 반응기가된다. 또는 엠보싱 부분만 온도를 계속 높여 파열되도록 유도하면 특정 분자만 걸러낼 수 있는 분자체 흔히 분자필터라고 불린다. 주로 생화학, 환경 분야에서 큰 분자와 작은 분자를 함유하는 용액 또는 기체 속 미립자나 분자를 분리하는 데 이용한다. 대기 중 이산화탄소만 선택적으로 제거하거나, 자동차 매연 중 유독가스만 걸러낼 수 있다.

이번 연구결과는 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters, IF=8.462, DOI:10.1103/PhysRevLett.120.186104)에 미국 동부시간으로 5월 3일자에 게재됐다.

IBS 커뮤니케이션팀
김다희