자연흑연에서 단일층의 그래핀을 박리하는 방법과 크기 및 밀도 결과.[아주대학교 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 차세대 전자소재 흑연으로부터 그래핀을 결점없이 떼어내는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국연구재단은 아주대 이재현 교수, 목포대 손석균 교수, 삼성디스플레이 조성호 상무 공동연구팀이 층수가 제어된 대면적 그래핀 박리법을 개발했다고 1일 밝혔다.

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.

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 방향이 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 그래핀을 얻었다.

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

계면결합에너지에 따른 균열의 깊이 및 방향.[아주대학교 제공]

기존 박리법 대비 약 4200배 넓은 면적의 단일층 그래핀을 얻어낸 것이다. 또한 단위면적당 단일층 그래핀의 밀도가 최대 6000배 가량 증가할 정도로 높은 수율을 확보했다.

이재현 교수는 “그래핀의 산업적 응용의 걸림돌 가운데 하나인 무결점 그래핀 확보를 위한 새로운 대안을 제시할 수 있을 것”이라고 말했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실 사업과 생애 첫 연구 등의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’ 10월 28일 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com