강철보다 200배 강한 그래핀…'무결점 버전' 나왔다

꿈의 신소재 그래핀…접힘 적층 결점 극복
무결점 그래핀 전하이동도 실리콘의 7배
초고성능 집적회로 제작 가능해져

그래핀의 탄소 원자 구조. 기초과학연구원 제공

꿈의 신소재로 불리는 '그래핀'이 가진 최대의 단점은 제작과정에서 접힘과 적층이 발생한다는 것이다. 세계 유수의 연구진들이 이 문제를 해결하고 결점없는 그래핀을 생산해내기 위해 경쟁적으로 노력해왔다. 그 결실이 국내에서 맺어졌다.

기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구팀(단장 로드니 루오프)는 26일 '접힘과 적층이 없는 완벽한 단결정 그래핀을 대면적으로 제작하는데 세계 최초로 성공했다'고 밝혔다. 연구결과는 국제학술지 네이처 8월26일자에 실렸다. 메이훼이 왕 연구원은 루오프 단장과 함께, 교신저자로 다 루오 연구위원은 제1저자로 참여했다.

로드니 루오프 연구단장

그래핀은 탄소 원자들이 벌집처럼 육각형으로 나열된 2차원 물질이다. 얇고 투명하며 신축성도 뛰어나지만 강철보다 200배 이상 강하고, 구리보다 100배 이상 전자의 이동성이 빠르며, 다이아몬드와 유사하게 열전도성이 높아 탁월한 물성으로 주목받아 왔다.

엄청난 강점을 지닌 소재지만 부분적으로 여러 층의 그래핀이 겹쳐진 '적층 구역'이나 주름진 '접힘 부분'이 존재했고 이것이 그래핀의 기계적‧전기적 물성을 떨어뜨리는 요인이 됐다. 하지만 기초과학연구원이 접힘과 적층 문제를 해결하면서 대면적의 완벽한 단결정 그래핀을 활용해 소재의 위치나 방향과 무관하게 항상 같은 효율을 내는 고성능 집적 회로를 만드는 것이 가능하게 됐다.
 
연구팀은 "무결점 그래핀을 다른 2차원 재료와 함께 적층해 사용한다면 지금까지 개발되지 않았던 놀라운 성능을 보이는 소자를 개발할 수 있어 전자, 광자, 기계와 같은 다양한 분야에서 우수한 성능의 그래핀을 활용할 수 있는 길을 연 것이다"고 의미를 부여했다.

연구팀의 성과는 지난 2019년 그래핀 제작에 기판으로 사용되는 시판 구리 호일에 함유된 탄소불순물로 인해 그래핀 적층이 생긴다는 사실을 알아낸데 이어 진일보한 것으로, 그래핀의 성장 후 냉각 과정에서 접힘이 발생한다는 점에 착안해 접힘이 일어나는 온도를 조사했다.

[그림1]그래핀에 접힘이 발생하는 메커니즘, 그래핀의 접힘 부분을 전자현미경(a,b) 및 원자현미경(c)으로 촬영한 모습. 통상 그래핀은 1320K 이상의 고온에서 성장하는데, 냉각되는 과정에서 접힘이 발생한다. 연구진의 분석결과 약 1030K 이상의 온도에서 접힘이 발생하는 것으로 확인됐다.

통상 그래핀은 1320K(1046.85℃) 이상의 고온에서 합성된 후 실온까지 냉각하는데, 1030K(756.85℃) 이상의 온도에서 접힘이 형성된다. 연구팀은 이때 접힘이 발생하지 않도록 1030K(756.85℃) 이하의 저온에서 그래핀을 성장시켜봤다. 그랬더니, 냉각과정을 거쳐도 접힘이나 적층이 없는 완벽한 '무결점 그래핀'이 합성된 것이다.
 

'무결점 그래핀'의 모습 이번 연구에서 제조한 접힘과 적층이 없는 단결정 그래핀의 광학현미경(a) 및 전자현미경(b) 이미지. 군데군데 접힘 부분이 보였던 [그림1]의 그래핀과 달리 소재 전체에 걸쳐 균일한 '완벽한 원자 한 층'을 이루고 있음을 확인할 수 있다. 

무결점 그래핀의 전하 이동도*는 6~8000㎠/Vs로 실리콘에 비해 7배, 기존 그래핀에 비해 약 3배 높아 더 적은 전력으로도 높은 성능을 낼수 있는 제품을 생산할 수 있게돼 산업현장에서 그 응용의 폭이 무한대로 넓어질 것이란 전망이 나오고 있다. 전하이동도는 물질 내에서 전하 입자가 얼마나 잘 이동할 수 있는가를 나타내는 지표다.

연구팀이 생각하는 무결점 그래핀의 용처는 이렇다. 첫째 대면적의 접힘․적층 없는 단결정 그래핀을 활용하면 소재의 위치나 방향과 무관하게 항상 같은 효율을 내는 고성능 직업회로를 만드는 것이 가능하다. 둘째, 무결점 그래핀을 다른 2차원 재료와 함께 적층해 사용한다면 지금까지 개발되지 않았던 놀라운 성능을 보이는 소자를 개발할 수 있다는 것이다.

연구팀은 대량 생산의 가능성도 입증했다. 구리-니켈(Cu-Ni(111)) 호일을 기판으로 사용해, 4×7㎠ 크기의 무결점 그래핀 5장을 동시에 제조하는 데도 성공한 것. 이때 호일을 5번 재사용해도 중량 손실이 0.0001g에 불과해 호일을 무한정 재사용할 수 있다는 것도 장점이다.
 
IBS 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.