융기원, 그래핀 상용화 걸림돌 나노주름 원인 찾았다

그래핀 상용화의 걸림돌이었던 그래핀 나노주름의 생성원인이 국내연구진에 의해 규명됐다. 나노주름 제어를 통한 고품질 그래핀 제작이 가시화될 전망이다.

차세대융합기술연구원(이하 융기원) 홍병희 교수팀(서울대 화학부 교수)은 한국기초과학지원연구원(이하 기초지원연) 문준희·이주한 박사 연구팀과 공동연구를 통해, 촉매로 활용되는 구리박막 위에서 그래핀을 합성할 때 나타나는 나노주름의 생성원인을 규명하는데 성공했다.

그래핀은 고온(1000℃)에서 합성되는데, 냉각 과정에서 팽창하는 독특한 성질을 지니고 있다. 냉각 중 수축하는 구리와 그래핀 사이에 스트레스가 발생하며 그 영향으로 구리 표면이 물결모양으로 변하면서 그래핀에 나노주름이 형성된다. 나노주름은 그래핀의 전기적 특성에 결정적 영향을 끼치는 것으로 알려져 많은 연구가 이뤄져 왔지만, 그동안 생성원인이 정확히 밝혀지지 않았다.

연구팀은 구리박막 위 일부분에만 그래핀을 합성했다. 구리표면의 물결모양이 그래핀이 합성된 영역에서만 나타나는 현상이며, 구리호일의 결정방향, 품질 및 합성 조건이 달라져도 그래핀의 나노 주름이 형성되고 구리호일의 표면변화가 나타남을 확인했다.

또 라만분광법을 통해 합성하는 그래핀의 층수가 많아질수록 구리표면의 물결모양이 넓고 깊어지며, 그래핀과 구리표면의 냉각성질의 차이에 의해 발생한 스트레스가 그래핀과 구리표면에 반영되는 과정이 나노주름 형성에 결정적인 역할을 하는 것을 확인했다.

나노주름이 없는 경우 그래핀의 전기적 특성이 더 우수함을 원인과 함께 밝힘으로써 앞으로 그래핀 나노주름을 최소화해 전기특성을 극대화할 수 있는 단서를 제공한 것으로 평가된다.

홍병희 융기원 교수 측은 그래핀 합성 및 원자현미경을 활용해 그래핀 합성에 따른 구리호일의 표면 변형에 대한 분석을 수행했으며, 기초지원(연)은 라만분광기를 활용해 그래핀의 층수와 그래핀 격자의 변형률에 대한 분석을 진행했다.

홍병희 교수는 "구리 위에서 합성된 그래핀의 나노주름은 그래핀의 전기적 특성을 상용화 수준으로 끌어올리는데 큰 장벽이었다"며 "그래핀이 구리표면에 가한 응력이 구리의 표면변화를 일으켜 그래핀 나노주름을 형성한다는 새로운 발견이며 이번 연구결과를 토대로 그래핀 나노주름의 형성을 제어할 수 있는 새로운 길로 고품질의 그래핀 제작이 가시화될 전망"이고 말했다.

이번 연구결과는 세계적인 나노분야 학술지인 '나노레터(Nano Letters)' 온라인판(공동 주저자 문준희, 교신저자 이주한, 논문명 : Strain Relaxation of Graphene Layers by Cu Surface Roughening, IF=13.779)에 지난 3일 게재됐다.

연구진은 이번 연구를 기반으로 그래핀 합성과정에서 나노주름을 제어하기 위한 후속연구를 이어나갈 계획이다. 김광태기자 ktkim@dt.co.kr