‘꿈의 신소재’로 불리는 그래핀은 얇고 투명하지만 강철보다 강하고, 우수한 열 및 전기전도성을 지니는 등 탁월한 물성으로 주목받았다. 그래핀이 세상에 등장한지 17년이 지났지만, 항상 부분적으로는 여러 층의 그래핀이 겹친 ‘적층 구역’이나 군데군데 주름진 ‘접힘 구역’이 존재했다. 2차원 물질로 분류되지만, 역설적이게도 전 면적에 걸쳐 순수하게 원자 한 층으로 이뤄진 그래핀은 아직까지 탄생한 적 없다는 의미다.

▲ 연구진이 합성한 무결점 그래핀의 모습. 접힘이나 적층 없이 소재 전체가 원자 한 층으로 균일하며, 각 원자의 배열도 규칙적인 단결정 형태임을 알 수 있다.

기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단은 현존하는 그래핀 중 가장 완벽한 ‘무결점 그래핀’을 대면적으로 제작하는데 성공하고, 그 연구결과를 최고 권위의 국제학술지 ‘네이처(Nature)’ 8월 26일자에 게재했다.

그래핀의 적층이나 접힘은 기계적, 전기적 물성을 떨어뜨리는 요인이 된다. 뿐만 아니라, 그래핀의 접힘 부분에서는 그래핀의 기계적 강도를 낮추는 균열도 발생한다. ‘꿈의 신소재’라는 별명 답게 우수한 물성을 완벽하게 활용하기 위해서는 적층과 접힘을 모두 없앤 무결점 그래핀의 개발이 필요하다.

다차원 탄소재료 연구단은 완벽한 그래핀 개발을 위한 기초연구를 지속해왔다. 2019년에는 적층, 즉 겹친 부분이 없는 그래핀 제작까지는 성공했지만, 접힘 문제까지는 해결하지 못했다. 이번 연구에서는 그래핀 접힘이 형성되는 원인을 규명하고, 접힘 부분까지 없앤 ‘무결점 그래핀’을 제작하는데 성공했다.

연구진은 그래핀의 성장 후 냉각 과정에서 접힘이 발생한다는 점에 착안, 접힘이 일어나는 온도를 조사했다. 연구진은 그래핀의 성장 후 냉각 과정에서 접힘이 발생한다는 점에 착안, 접힘이 일어나는 온도를 조사했다. 통상 그래핀은 1320K(1046.85℃) 이상의 고온에서 합성된 후 서서히 식는데, 이때 1030K(756.85℃) 이상의 온도에서 접힘이 형성됨을 발견했다. 이에 따라 접힘이 발생하지 않도록 1030K 이하의 저온에서 그래핀을 성장시켜본 결과, 냉각과정을 거쳐도 접힘 및 적층이 없는 완벽한 그래핀이 합성할 수 있었다.

▲ 그래핀에 접힘이 발생하는 메커니즘. 통상 그래핀은 1320K 이상의 고온에서 성장하는데, 냉각되는 과정에서 접힘이 발생한다. 연구진의 분석결과 약 1030K 이상의 온도에서 접힘이 발생하는 것으로 확인됐다.

이렇게 제작한 무결점 그래핀의 전하 이동도는 6~8000㎠/Vs로 실리콘에 비해 7배, 일반적인 그래핀에 비해 약 3배 높았다. 전하이동도가 높을수록 더 적은 전력으로도 높은 성능을 낼 수 있음을 의미한다. 또한, 대량 생산의 가능성도 입증했다. 연구진은 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.

연구를 이끈 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 맺은 것으로, 향후 무결점 그래핀의 독특한 물성을 추가로 연구할 계획”이라고 말했다.