미세균열 제어를 통한 무결점 그래핀 확보

흑연 표면을 금으로 코팅, 그래핀 박리시 균열의 깊이와 방향 제어

□ 국내 연구진이 차세대 전자소재 흑연으로부터 그래핀을 결점 없이 떼어내는 새로운 박리법을 소개했다.

○ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 이재현 교수(아주대학교), 손석균 교수 (목포대학교), 조성호 상무(삼성디스플레이) 공동연구팀(제1저자 문지윤 연구원, 김민수 박사)이 층수가 제어된 대면적 그래핀 박리법을 개발 했다고 밝혔다.

※ 박리법(Exfoliation Method) : 테이프의 접착력을 이용해 흑연으로부터 그래핀을 기계적 으로 분리해 내는 방법

□ 고무처럼 잘 휘어지고 투명한 그래핀. 뛰어난 전기전도성 때문에두루마리처럼 둘둘 마는 TV나 스마트폰 등에 응용될 꿈의 소재로 불려왔다.

○ 하지만 탄소가 벌집모양으로 결합한 단일층의 평면인 그래핀은 10만 층을 쌓아야 머리카락 굵기가 될 정도로 얇다. 탄소가 층층이 결합한 흑연의 표면을 테이프로 반복해서 떼어내 그래핀을 얻었지만, 반복작업과 작업자의 숙련도에 의존, 그래핀의 면적과 층수, 수율을 제어하는 것이 불가능했다.

□ 이에 연구팀은 테이프로 떼어낼 때 생기는 균열의 크기·방향을 원자 수준에서 제어, 원하는 면적과 층수의 그래핀을 얻었다.

○ 흑연 위에 특정 성질의 필름을 증착, 균열의 깊이와 방향을 무작위가 아니라 선택적으로 제어한 것이다.

□ 그래핀 층간 결합력과 비슷한 수준으로 흑연 표면과 결합하는 금(Au)으로 흑연표면을 코팅한 후 테이프로 뜯어내면 균열이 수직 방향(흑연의 아래쪽 방향)이 아닌 표면과 평행한 방향으로 전파되어 단층의 그래핀만 분리된 것이다.

○ 반면 흑연과의 결합력이 금보다 큰 팔라듐, 니켈, 코발트로 코팅 하고 테이프로 떼어낼 경우 최초로 형성되는 균열이 더 깊어져 결과적으로 더 큰 층수의 그래핀이 얻어졌다.

□ 이 방법을 이용하면 수 mm 면적의 단일층부터 이중층, 그리고 최대 40층까지 층수가 제어된 그래핀을 얻을 수 있었다.

○ 기존 박리법 대비 약 4,200배 넓은 면적의 단일층 그래핀을 얻어낸 것이다. 또한, 단위면적당 단일층 그래핀의 밀도가 최대 6,000배 가량 증가할 정도로 높은 수율을 확보하였다.

□ 그래핀의 산업적 응용의 걸림돌 가운데 하나인 무결점 그래핀 확보를 위한 새로운 대안을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.

○ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실 사업과 생애 첫 연구 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 10월 28일 게재 되었다.