국내 연구진, 세계 최초 '무결점 그래핀' 제작 성공

그래핀의 접힘 부분을 전자현미경(a,b) 및 원자현미경(c)으로 촬영한 모습. 통상 그래핀은 1320K 이상의 고온에서 성장하는데, 냉각되는 과정에서 접힘이 발생한다. 연구진의 분석결과 약 1030K 이상의 온도에서 접힘이 발생하는 것으로 확인됐다. /사진제공=과학기술정보통신부 제공

기초과학연구원(IBS) 연구진이 접힘과 적층이 없는 완벽한 단결정 그래핀을 대면적으로 제작하는데 세계 최초로 성공했다.

과학기술정보통신부는와 IBS의 로드니 루오프 다차원 탄소재료 연구단장이 이끄는 연구팀이 이 같은 성과를 국제학술지 네이처(Nature)에 26일 게재했다고 밝혔다.

그래핀은 탄소 원자들이 벌집처럼 육각형으로 나열된 2차원 물질이다. 얇고 투명하며 신축성이 뛰어나지만, 강철보다 200배 이상 강하고 구리보다 100배 이상 전자의 이동성이 빠르며 다이아몬드와 유사하게 열전도성이 높다.

이에 따라 반도체 분야 신소재로 주목받아 왔지만, 부분적으로 여러 층의 그래핀이 겹쳐진 '적층 구역'이나 주름진 '접힘 부분'이 존재해 기계적·전기적 물성을 떨어뜨리는 요인으로 작용해 왔다.

하지만 이번 연구로 접힘과 적층 없는 대면적의 완벽한 단결정 그래핀을 활용하면 소재의 위치나 방향과 무관하게 항상 같은 효율을 내는 고성능 집적 회로를 만드는 것이 가능하게 됐다.

과기정통부는 "'무결점 그래핀'을 다른 2차원 재료와 함께 적층해 사용한다면 지금까지 개발되지 않았던 놀라운 성능을 보이는 소자를 개발할 수 있어 전자, 광자, 기계와 같은 다양한 분야에서 우수한 성능의 그래핀을 활용할 수 있는 길을 열게 된다"고 설명했다.

연구팀은 2019년에 적층 없는 그래핀 제작까지는 성공했지만 접힘 문제까지는 해결하지 못했다. 이에 그래핀의 성장 후 냉각 과정에서 접힘이 발생한다는 점에 착안해 접힘이 일어나는 온도를 조사했고, 이번에는 '무결점 그래핀' 제작에 성공했다.

루오프 단장은 "우리 연구진은 최적의 그래핀을 합성하기 위한 기판의 개발, 그래핀의 적층과 접힘을 없애기 위한 연구 등 '무결점 그래핀' 개발을 목표로 연구를 수행해왔다"며 "7년의 장기연구가 결실을 맺은 것으로, 향후 무결점 그래핀의 독특한 물성을 추가로 연구할 계획"이라고 말했다.