국내 연구진이 그래핀 같은 2차원 나노소재가 형성되는 메커니즘을 밝혔다. 이를 활용해 금속 촉매 없이 기판 위에 직접 대면적 그래핀을 합성하는 데 성공했다. 새로운 나노소재 개발에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
한국과학기술연구원(KIST·원장 이병권) 광전소재연구단 송용원 박사팀은 2차원 나노소재 합성 메커니즘을 수학적으로 유도하고, 이를 정량적으로 증명했다고 15일 밝혔다.
이 메커니즘은 성장 환경, 촉매 기판, 전구체를 함수로 넣어 최종적으로 합성될 2차원 소재 정량적 형태를 정확히 예측했다. 연구팀은 그래핀을 이용해 증명했다.
연구팀은 새로운 비금속 절연 기판 소재인 ‘감마상 알루미나(γ-Al2O3)’ 기판을 그래핀 합성을 위한 촉매이자 기판으로 개발하고, 여기에 그래핀을 금속 촉매 없이 직접 합성하는 데 성공했다. γ-Al2O3 기판에 합성한 그래핀은 추가 금속촉매 제거공정 없이 바로 사용할 수 있다. 기존 구리(Cu)와 니켈(Ni) 촉매를 사용해 합성한 그래핀보다 우수한 특성도 가졌다.
연구팀이 수학적으로 유도한 2차원 나노 소재 일반적인 형성 메커니즘은 시스템에 주입한 탄소 전구체 종류, 압력, 촉매 기판 정보로부터 탄소 전구체가 수소를 잃으면서 촉매 기판 위에 공급되는 탄소 원자량을 바탕으로 한다.
이 메커니즘으로 예상한 그래핀 합성결과와 실제 그래핀 합성 결과는 저온공정에서 고온공정, γ-Al2O3 촉매 절연기판, Cu 등 전이 금속 촉매 기판 모두에서 그래핀 성장 결과가 정확히 일치했다.
연구 과정에서 개발한 절연촉매 기판인 γ-Al2O3은 다른 금속 촉매 도움 없이 그래핀을 합성할 수 있고, 기판 자체가 전사 공정이 필요 없는 절연기판이어서 합성된 상태에서 바로 사용할 수 있다.
제1저자인 박재현 박사는 “2차원 나노 소재에 대한 일반적 합성 메커니즘을 다양한 정량적 활성화 에너지를 바탕으로 도출한 식으로 표현했다”며 “활성화 에너지 값이 2차원 소재 성장에 어떤 영향을 미치는지 보여주는 실질적인 해석 틀을 제공했다”고 말했다. 이어 “새로운 2차원 나노 소재 합성에 있어 고려할 중요한 판단 근거를 제공할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
권건호기자 wingh1@etnews.com
