울산과학기술원(UNIST)은 기초과학연구원(IBS) 다차원탄소재료 연구단인 신소재공학과 펑 딩(Feng Ding)·이종훈 교수 연구팀이 나선 모양으로 합성된 그래핀 흡착층을 최초로 발견하고, 이를 새로운 이론으로 규명했다고 28일 밝혔다.

연구팀은 이번 연구가 용도에 맞게 그래핀 층수를 조절할 수 있는 합성법 개발의 단서가 될 것으로 보고 있다.

흡착층은 그래핀 층 아래에 덧대어 생기는 또 다른 그래핀 층을 말한다.

그래핀은 탄소 원자 한 개 두께의 2차원 물질로 실제 합성된 그래핀은 탄소 원자가 여러 층으로 쌓인 형태가 많다.

층수에 따라 특성이 다른데, 두 겹 그래핀으로는 반도체 소자를 만들 수 있지만 한 겹은 불가능하다.

대신 전하 이동도가 두 겹 그래핀보다 뛰어나다.

연구팀은 기존의 확률 기반 모델링 등을 개량해 그래핀이 나선 형태로 합성될 수 있었던 원인을 분석했다.

그래핀을 포함해 다른 물질에서도 나선형 구조가 발견된 적이 없어 기존 이론만으로는 이 현상을 설명하는 데 한계가 있었다.

연구팀 이론에 따르면 나선형 그래핀은 바로 위층 육각형 그래핀의 가장자리에 모인 고농도 탄소 원료를 공급받아 자란다.

이 과정에서 탄소 원료 농도가 부족해지면 나선 모양으로 성장하게 된다.

탄소 원료가 부족하면 아래층 그래핀은 원료를 쉽게 공급받을 수 있는 가장자리만을 따라 부분적으로 성장한다.

이때 위쪽 그래핀도 계속 성장하기 때문에 위쪽 그래핀의 가장자리를 쫓아가 아래층은 나선 모양이 되는 원리다.

나선형 그래핀이 위층 그래핀보다 작게 합성되며, 나선형 그래핀의 '팔'(sprial arm)이 바로 위층 그래핀 가장자리와 항상 맞닿아 있는 특이한 현상을 이 이론으로 설명할 수 있다.

팔은 나선의 중심에서 거미줄처럼 나온 구조를 말한다.

연구팀은 또 이론 예측 결과대로 그래핀 원료의 농도를 바꿔가며 나선의 팔 개수를 조절하는 데도 성공했다.

펑 딩 교수는 "이번 연구로 흡착층을 이루는 탄소 원료가 어디서 오는지도 이론적으로 밝혀져 원료 공급을 억제하거나 활성화하는 방식으로 그래핀 층수를 조절하는 새로운 합성법 개발의 실마리가 될 것"이라고 말했다.

연구는 재료과학 분야 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼스'(Advanced Materials)에 3월 24일 자로 출판됐다.

연구 수행은 기초과학연구원의 지원을 받아 이뤄졌다.