국내 연구진, 그래핀 상용화 걸림돌인 나노 주름 생성 원인 밝혔다

한국기초과학지원연구원이 최근 문준희·이주한 나노표면연구팀, 홍병희 서울대 차세대융합기술원 그래핀 융합기술 연구센터 교수팀이 구리박막 위에서 그래핀을 합성할 때 나타나는 나노 주름의 생성 원인 규명에 성공했다고 밝혔다.
‘꿈의 신소재’라 흔히 불리는 그래핀(graphene)을 합성할 때, 나노미터(㎚) 크기 주름이 생기면 내부 전자가 산란돼 전도성이 떨어지는 문제가 있었다. 업계 종사자들은 이 문제가 해결된다면 플렉시블 디스플레이, 웨어러블 컴퓨터, 전자종이 등 세계 최고 수준의 정보통신기술(ICT) 기기를 개발 하는 것이 한 층 수월해질 것으로 생각해왔다.
그래핀은 탄소원자가 벌집 구조로 배치된 2차원의 도체 물질로, 전기 및 물리 성질이 우수한 차세대 전자소자 물질이다. 두께가 0.2㎚에 불과하며, 단독으로 활용되기보다는 지지할 수 있는 물질 위에 전사된 상태로 사용되는 것이 일반적이다.
섭씨 1000도의 고온에서 합성되고 냉각 과정에서 팽창하는 독특한 성질이 있어서 냉각 중에 수축하는 구리(전이금속)와 그래핀 사이에 스트레스가 발생하는 것이 나노 주름의 원인이다. 구리가 수축하며 표면이 물결 모양으로 변하고 그래핀에 나노 주름이 형성되는 것이다.
나노 주름이 있으면 그래핀 내부 전자가 산란돼 전도성이 떨어진다. 세계 과학자들은 이 원인을 밝혀내기 위해 노력했지만 그동안 정확한 생성 원인을 알 수 없었다.
국내 연구팀은 구리박막 위 일부분에만 그래핀을 합성해 구리 표면의 물결 모양이 그래핀 합성 영역에서만 나타나는 현상이며, 구리 포일 결정의 방향이나 품질 및 합성 조건이 달라져도 그래핀 나노 주름이 형성되고 구리 포일 표면 변화가 나타나는 것을 확인했다.
그 결과로 합성 그래핀 층수가 많아질수록 물결 모양이 넓고 깊어지며, 그래핀과 구리 표면의 냉각 성질 차이에 의해 발생한 스트레스가 그래핀과 구리 표면에 반영되는 나노 주름 형성에 중요한 역할을 하는 것으로 확인했다.
문준희 기초지원연 박사는 “그래핀 합성 시 구리 표면 변화에 대한 보고는 많았지만 명확한 원인을 구명하지 못했다. 이번 연구로 그래핀이 구리 표면에 가한 응력이 구리의 표면 변화를 일으켜서 그래핀 나노 주름을 형성한다는 새로운 사실을 발견했다. 하지만 이 연구 결과는 그래핀 연구자에게 큰 도움이 될 것으로 예상된다.”고 설명했다.
홍병희 융기원 교수는 “그래핀 나노 주름은 그동안 전기 특성을 상용화 수준으로 끌어올리는데 큰 장벽이었다. 이번 연구 결과를 토대로 그래핀 나노 주름 형성을 제어할 수 있는 길이 열린 것이다.”라고 의미를 부여했다