국내 연구진이 고가장비 없이도 그래핀의 특성을 손쉽게 연구할 수 있는 길을 찾았다.

교육과학기술부는 성균관대 에너지과학과 이영희 교수팀이 그래핀(graphene) 조각의 경계면과 크기 분포를 일반 광학현미경으로 동시에 관찰하는 방법을 개발, 세계 최고 권위의 과학전문지인 '네이처' 10월호에 게재했다고 4일 밝혔다.


그래핀은 흑연(graphite)의 표면층을 한 겹만 살짝 떼어낸 나노미터(㎚·10억분의 1ｍ) 크기의 탄소물질로 탄소원자 단일층의 육각형 벌집구조를 이루고 있다. 전기 전도성과 전하 이동도가 높고 응용 가능성이 많아 2004년 발견된 이후 꿈의 신소재로 불리고 있다.

그동안 전 세계 연구자들은 그래핀을 대면적으로 합성해 터치스크린, 투명전도전극, 고속전자소자 등을 개발해냈다. 그러나 그래핀을 넓은 면적으로 만들려면 그래핀 조각들을 모아야 하는데, 이 때 조각들의 경계면 전기저항이 예상보다 큰 것이 걸림돌이었다.

그래핀 조각의 경계면은 탄소원자 오각형과 칠각형의 조합으로 구성돼 그 폭이 1나노미터 이하인데다, 조각의 크기는 폭이 수십~수백 마이크로미터(㎛·백만분의 1m)에 이르기 때문에 동시에 측정할 수 없었다. 예컨대 투과전자현미경은 해상도가 높아 조각들의 경계면 구조를 관찰할 수 있지만, 수십 나노미터 범위만 볼 수 있어 조각 전체의 크기 분포는 볼 수 없었다.


이 교수팀은 그래핀 조각들의 경계면 폭과 크기 분포를 광학현미경으로 동시에 관측하는 방법을 개발, 기존 연구의 애로를 극복하는 길을 열었다.

습도가 조절된 공기를 자외선에 노출시켜 활성화한 산소와 수분 등의 친수성기(親水性基)를 이용했다. 물을 좋아하는 친수성기는 그래핀 표면을 어느 정도 산화시키지만 특히 경계면을 심하게 산화시켜 경계면 밑에 놓여있던 구리 기판을 산화시키고 광학현미경으로도 관측할 수 있게 한 것이다.

이영희 교수는 "이번 연구로 저가의 광학현미경만으로도 그래핀 조각들의 경계면을 관측할 수 있어 일반 연구자들도 손쉽게 그래핀 특성을 연구할 수 있게 됐다"며 "산업체에서 그래핀을 대량 합성할 때도 유용해 경제적 효과를 기대할 수 있다"고 말했다.

이번 연구성과는 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진한 세계수준연구중심대학(WCU) 육성사업으로 이뤄졌다.