국내 연구진이 실리콘을 대체할 차세대 신물질 후보인 ‘그라핀(Graphene)’의 두께를 알아낼 수 있는 방법을 처음 발견했다.
김봉수 포항가속기연구소 박사팀과 김세훈 KAIST 교수팀은 포항방사광가속기를 활용해 그라핀 층의 두께에 따른 탄소결합 에너지 차이를 밝히는 영상을 얻는데 성공했다고 1일 밝혔다.
그라핀은 두께가 원자 한 개 수준에 불과해 우주에서 가장 얇은 물질 중 하나로 알려졌다. 불활성인 우수전도체로 전기광학장치 응용에 널리 사용된다. 그라핀에 분자나 금속을 첨가하면 전기적 특성을 변화시킬 수 있다. 실리콘을 대체할 수 있는 차세대 후보물질로 기대된다.
연구팀은 흑연을 붙인 셀로판테이프를 300㎚(나노미터) 두께의 산화규소 기판에 접촉시킨 후 떼어내는 방법으로 그라핀을 준비했다. 포항방사광가속기의 광전자 분광현미경(SPEM) 빔라인에서 그라핀의 두께에 따른 화학적 영상을 얻는데 성공했다. 이 과정에서 단층·세층·다층구조에서 층간 탄소 결합에너지 차이도 측정했다.
그라핀의 전기적 특성은 두께에 따라 다르게 나타난다. 그라핀의 두께에 대한 정보를 알아내는 것은 매우 중요한 것으로 평가된다. 이번 연구는 결합에너지 차이를 이용해 그라핀의 두께를 추측할 수 있는 방법을 제시했다는 점에서 큰 의의를 가진다. 그라핀에 분자나 금속을 첨가할 때 발생하는 전자적·화학적 구조변화는 그라핀을 활용한 장치의 성능과 직결된다. 이러한 구조변화에 대한 정보를 알아냈다는 것은 후속 연구에 중요한 영향을 미치게 될 것으로 예상된다.
연구의 주 저자인 김기정 박사는 “연구결과는 향후 그라핀을 활용한 디스플레이소자, 각종 반도체 소자, 가스 센서, 수소저장장치, 태양광소자, 스핀소자 등의 연구분야에 광범위하게 적용될 것으로 예상된다”고 말했다.
이번 연구성과는 세계적인 재료과학 전문지 ‘어드밴스드 머티리얼스’ 온라인판 8월22일자에 약식 게재됐고, 10월 2일 발매될 10월호에 정식 게재된다.
권건호기자 wingh1@
※그라핀이란
단원자층의 탄소원자만으로 구성된 2차원 구조다이며, 풀러렌(C60)·탄소나노튜브·흑연을 만드는 기본 구조. 물리적으로 투명하며, 전기적으로 도체의 성질을 가짐. 그라핀에 분자나 금속을 첨가하면 전기적 특성이 변화하며, 최근에는 이 그라핀 층을 만들기 위한 다양한 방법들이 시도되고 있다. 미국 물리학회(APS)·네이처 나노테크놀로지 등은 그라핀을 미래 정보기술을 바꿀 가장 주목할 만한 신소재로 꼽고 있다.