‘꿈의 신소재’ 그래핀, 세계 최초로 무결점 제작 성공

IBS 다차원탄소재료 연구단 성과…대량 생산 가능성도 입증

기초과학연구원(IBS) 연구진이 세계 최초로 접힘과 적층이 없는 무결점 그래핀을 제작하는 데 성공했다.

과학기술정보통신부는 IBS 다차원 탄소재료 로드니 루오프 연구단장이 이끄는 연구팀이 완벽한 단결정 그래핀을 제작하는 데 세계 처음으로 성공했다고 26일 밝혔다.

그래핀은 탄소 원자들이 벌집과 같이 육각형으로 나열된 2차원 물질이다. 얇고 투명하지만, 강철보다 200배 이상 강하고 구리보다 100배 이상 전자의 이동성이 빠르며 다이아몬드와 유사하게 열 전도성이 높다.

그래핀은 반도체 분야에서 ‘꿈의 신소재’로 불릴 만큼 큰 주목을 받고 있지만, 기계적·전기적 물성을 떨어뜨리는 적층과 접힘의 문제를 모두 해결한 완벽한 2차원 그래핀을 제작한 사례는 지금까지 없었다.

지난 2019년 적층 없는 그래핀 제작에 성공한 루오프 연구팀은 그래핀의 성장 후 냉각 과정에서 접힘이 발생한다는 점에 착안해 접힘이 일어나는 온도를 조사했고 1030K(756.85℃) 이상의 온도에서 접힘이 형성됨을 발견했다.

연구팀은 접힘이 발생하지 않도록 1030K 이하의 저온에서 그래핀을 성장시켰고 냉각과정을 거쳐도 접힘과 적층이 없는 완벽한 무결점 그래핀을 합성할 수 있었다.

이번에 합성된 무결점 그래핀의 전하 이동도는 실리콘과 비교해 7배, 기존 그래핀보다 약 3배 높았다. 전하이동도는 높을수록 더 적은 전력으로 높은 성능을 낼 수 있다.

연구팀은 구리-니켈(Cu-Ni(111)) 호일을 기판으로 사용해 4×7㎠ 크기의 무결점 그래핀 5장을 동시에 제조하는 데 성공해 대량 생산 가능성도 입증했다.

연구팀은 “접힘과 적층이 없는 단결정 그래핀을 활용하면 소재의 위치나 방향과 무관하게 항상 같은 효율을 내는 고성능 직접 회로를 만들 수 있다”며 “무결점 그래핀을 다른 2차원 재료와 적층해 사용하면 지금까지 개발되지 않았던 놀라운 성능의 소재를 개발할 수 있을 것”이라고 설명했다.

루오프 단장은 “7년의 장기연구가 결실을 보았다”며 “향후 무결점 그래핀의 독특한 물성을 추가로 연구할 계획”이라고 말했다.

이번 연구 성과는 자연 과학 분야 세계 최고 권위 국제학술지 네이처에 이날 게재됐다.

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