'꿈의 신소재' 그래핀…흑연에서 결점없이 떼는법 국내 개발

흑연 표면을 금으로 코팅, 그래핀 박리시 균열의 깊이와 방향 제어

자연흑연에서 단일층의 그래핀을 박리하는 방법 및 크기 및 밀도 결과(위) 자연흑연위에 금 필름에 의해 자연흑연으로부터 단일층 그래핀만 선택적으로 박리되는 과정 (아래) 기존 박리법으로 확보한 단일층 그래핀의 크기 그리고 금 필름을 이용한 박리법을 통해 확보된 단일층 그래핀의 크기 및 밀도 그래프. 금 필름을 활용할 경우 면적은 약 4,200배 그리고 밀도는 최대 6,000배 증가됨을 알 수 있다. 제공 : 아주대학교 신소재공학과 이재현 교수

국내 연구진이 흑연에서 그래핀을 결점 없이 떼어내는 박리법을 개발했다.

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

박리법은 테이프의 접착력을 이용해 흑연으로부터 그래핀을 기계적으로 분리해 내는 방법을 말한다.

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.

이에 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 방향(흑연의 아래쪽 방향)이 아닌 표면과 평행한 방향으로 전파돼 단층의 그래핀만 분리된 것이다.

계면결합에너지에 따른 균열의 깊이 및 방향흑연과의 계면결합에너지 (γ)가 흑연층 사이에 존재하는 계면결합에너지와 유사한 금 필름을 코팅할 경우 균열이 수직 방향 (흑연의 아래쪽 방향)이 아닌 흑연의 표면과 평행한 방향으로 성장해나갔으며 그 결과 단일층의 그래핀만 선택적으로 분리된다. 흑연과의 결합력이 금보다 큰 팔라듐, 니켈, 그리고 코발트 필름을 코팅한 경우, 흑연과의 계면결합에너지가 커짐에 따라 최초 형성되는 균열의 깊이가 깊어지게 되어 최종 박리된 그래핀의 층수가 점차 커지는 것을 관찰할 수 있다. 제공 : 아주대학교 신소재공학과 이재현 교수

반면, 흑연과의 결합력이 금보다 큰 팔라듐, 니켈, 코발트로 코팅하고 테이프로 떼어낼 경우 최초로 형성되는 균열이 더 깊어져 결과적으로 더 큰 층수의 그래핀이 얻어졌다.


이 방법을 이용하면 수mm 면적의 단일층부터 이중층, 최대 40층까지 층수가 제어된 그래핀을 얻을 수 있었다. 기존 박리법 대비 약 4200배 넓은 면적의 단일층 그래핀을 얻어낸 것이다.

또 단위면적당 단일층 그래핀의 밀도가 최대 6000배 가량 증가할 정도로 높은 수율을 확보했다.

이번 연구성과는 그래핀의 산업적 응용의 걸림돌 가운데 하나인 무결점 그래핀 확보를 위한 새로운 대안을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’에 게재됐다.