국내연구진, 세계 최초 무결점 그래핀 제작 성공

국내연구진이 결점이 없는 그래핀을 세계 최초로 개발하는 데 성공했다. 연구진은 이번에 개발한 그래핀을 활용하면 소재의 위치나 방향과 무관하게 항상 같은 효율을 내는 고성능 집적 회로를 만드는 것이 가능하게 될 것으로 기대한다.

무결점 그래핀. / 기초과학연구원(IBS)

기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단장 로드니 루오프는 접힘과 적층이 없는 완벽한 단결정 그래핀을 대면적으로 제작하는데 세계 최초로 성공했다. 연구 성과는 국제학술지 ‘네이처’에 26일 게재됐다.

그래핀은 탄소 원자들이 벌집처럼 육각형으로 나열된 2차원 물질이다. 얇고 투명하며 신축성도 뛰어나지만 강철보다 200배 이상 강하고, 구리보다 100배 이상 전자의 이동성이 빠르며, 다이아몬드와 유사하게 열전도성이 높아 탁월한 물성으로 주목받아 왔다. 하지만 부분적으로 여러 층의 그래핀이 겹쳐진 ‘적층 구역’이나 주름진 ‘접힘 부분’이 존재했고, 이런 적층이나 접힘은 그래핀의 기계적·전기적 물성을 떨어뜨리는 요인이었다.

연구진은 그래핀의 성장 후 냉각 과정에서 접힘이 발생한다는 점에 착안해 접힘이 일어나는 온도를 조사했고 그 결과 ‘무결점 그래핀’ 제작에 성공했다. 보통 그래핀은 섭씨 1046.85도 이상의 고온에서 합성된 후 실온까지 냉각하는데, 756.85도 이상의 온도에서 접힘이 형성됨을 발견했다. 이에 접힘이 발생하지 않도록 756.85도 이하의 저온에서 그래핀을 성장시켜본 결과, 냉각과정을 거쳐도 접힘과 적층이 없는 완벽한 ‘무결점 그래핀’을 합성할 수 있었다.

무결점 그래핀의 전하 이동도는 실리콘에 비해 7배, 기존 그래핀에 비해 약 3배 높았다. 전하이동도가 높을수록 더 적은 전력으로도 높은 성능을 낼 수 있음을 뜻한다.

연구진은 대량 생산의 가능성도 입증했다. 구리-니켈 호일을 기판으로 사용해, 4×7㎠ 크기의 무결점 그래핀 5장을 동시에 제조하는 데 성공했다. 또 호일을 5번 재사용해도 중량 손실이 0.0001g에 불과해 호일을 무한히 재사용할 수 있다는 것도 장점이다.

IBS 로드니 루오프 단장은 “7년의 장기연구가 결실을 맺은 것으로 앞으로 무결점 그래핀의 독특한 물성을 추가로 연구할 계획”이라고 밝혔다.

정해용 기자(jhy@chosunbiz.com)

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