차세대 재료 ‘그래핀’의 쓰임새를 다양하게 만들 방법이 발견됐다.

로드니 루오프 UNIST 자연과학부 교수팀은 그래핀의 기능화 반응을 촉진할 새로운 요인을 발견했다고 7일 밝혔다. 전기화학센서, 광학 소자 등에 쓰이는 ‘기능화된 그래핀’을 쉽게 만들 수 있다.

로드니 루오프 UNIST 자연과학부 교수 / UNIST 제공
로드니 루오프 UNIST 자연과학부 교수 / UNIST 제공
그래핀은 주로 ‘화학기상증착법(CVD)’으로 합성된다. 높은 온도에서 기체상태의 원료가 금속 기판을 만나 분해되고, 분해된 탄소들이 다시 결합하면서 그래핀이 만들어지는 원리다. 이때 원료 물질의 화학적 조성, 금속 기판의 종류와 결정성 등이 그래핀의 성질에 영향을 준다.

연구진은 ‘구리 기판 표면의 결정구조’에 주목했다. 구리 금속 원자들은 규칙적 배열을 이루며 쌓이는데, 이를 결정구조라 한다. 결정구조가 똑같은 구리라도 자르는 단면의 방향에 따라 표면 결정구조가 달라질 수 있다. 수박을 가로로 잘랐을 때와 세로로 잘랐을 때 표면이 다른 것과 비슷한 현상이다.

연구팀은 결정구조가 다른 세 종류의 구리 기판 위에서 환원기능기가 달린 그래핀을 합성했다. 그 결과 구리 표면에서 일어나는 반응이 가장 균일하고 빨랐다. 구리 표면에서 성장한 그래핀은 다른 결정구조의 표면보다 스트레스를 많이 받기 때문이다. 스트레스가 많으면 그래핀 내부에 압축변형이 더 잘 일어나고 그 영향으로 기능화 반응도 촉진된다.

기능화 반응과 열처리가 그래핀의 압축변형(strain)에 미치는 영향. / UNIST 제공
기능화 반응과 열처리가 그래핀의 압축변형(strain)에 미치는 영향. / UNIST 제공
연구팀은 내부 스트레스에 따른 압축변형 정도를 보여주는 ‘압축변형률’이 기능화 반응에 미치는 영향도 계산했다. 그 결과 압축변형률이 높을수록 반응이 쉽게 일어나는 것으로 확인됐다. 구리 기판 위에서 스트레스를 받으며 성장한 그래핀은 기능화 반응이 더 잘 나타나는 셈이다. 또, 열을 가해서 기능기를 제거했을 때는 그래핀의 압축 변형률이 원래대로 돌아온다.

루오프 교수는 "단결정 그래핀에서 압축변형이 그래핀 표면 반응성에 영향을 준다는 점을 규명한 뜻깊은 연구다"며 "화학기상증착법으로 성장한 그래핀은 태생적으로 스트레스로 인한 압축변형을 포함하기에 이번에 발견한 원리를 이용하면 쉽게 그래핀의 성질을 조절할 수 있을 것이다"고 밝혔다.

이번 연구는 기초과학연구원(IBS)의 지원을 받아 이뤄졌으며 크리스토퍼 비엘라프스키 UNIST 자연과학부 교수와 곽상규 UNIST 에너지 및 화학공학부 교수도 참여했다.

연구 결과는 재료화학분야 국제 학술지인 ‘Chemistry of Materials’ 온라인에 10월 17일자로 게재됐다.


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