▲ 연구에 사용된 구리호일과 그 위에 합성 된 그래핀(그래핀은 육안 확인 불가능).

그래핀 상용화의 걸림돌이었던 그래핀 나노 주름의 생성원인이 국내연구진에 의해 규명됨에 따라, 나노주름 제어를 통한 고품질 그래핀 제작이 가시화 될 전망이다.

한국기초과학지원연구원(원장 이광식, 이하 기초지원연) 나노표면연구팀 문준희·이주한 박사 연구팀은 서울대학교 화학부 및 차세대융합기술원 그래핀 융합기술 연구센터 홍병희 교수팀과의 공동연구를 통해, 촉매로 활용되는 구리박막 위에서 그래핀을 합성할 때 나타나는 나노 주름의 생성원인을 규명 하는데 성공했다고 지난 11일 밝혔다.

그래핀은 고온(1,000℃)에서 합성 되는데, 이를 냉각시킬때 팽창하는 성질을 지녀 냉각 중 수축하는 구리와 그래핀 사이의 응력으로 구리 표면이 물결모양으로 변해 그래핀에 나노 주름이 형성됐다. 나노 주름은 그래핀의 전기적 특성에 결정적인 영향을 주지만 정확한 생성원인은 밝혀지지 않았다.

이에 연구팀은 구리박막 위 일부분에만 그래핀을 합성해 구리표면의 물결모양이 그래핀이 합성된 영역에서만 나타나는 현상이며, 구리 포일의 결정방향, 품질 및 합성 조건이 달라져도 그래핀의 나노 주름이 형성되고 구리 포일의 표면변화가 나타남을 확인했다.

또한 라만분광법을 통해, 합성하는 그래핀의 층수가 많아질수록 구리표면의 물결모양이 넓고 깊어지며, 그래핀과 구리표면의 냉각성질의 차이에 의해 발생한 스트레스가 그래핀과 구리표면에 반영되는 과정이 나노 주름 형성에 결정적인 역할을 하는 것을 확인했다.

나노 주름이 없는 경우 그래핀의 전기적 특성이 더 우수함을 원인과 함께 밝힘으로써, 앞으로 그래핀 나노 주름을 최소화해 전기특성을 극대화할 수 있는 단서를 제공한 것으로 평가된다.

기초지원(연) 문준희 박사는 “이번 연구를 통해 그래핀이 구리표면에 가한 응력이 구리의 표면 변화를 일으켜 그래핀의 나노 주름을 형성한다는 사실이 새롭게 발견돼 그래핀 연구자들에게 도움이 될 것”이라고 밝혔다.

융기원 홍병희 교수는 “구리 위에서 합성 된 그래핀의 나노주름은 그래핀의 전기적 특성을 상용화 수준으로 끌어올리는데 큰 장벽이었다”며 “이번 연구결과를 토대로 그래핀 나노주름의 형성을 제어할 수 있는 새로운 길이 열렸다”고 밝혔다.

연구진은 이번 연구를 기반으로 그래핀 합성과정에서 나노주름을 제어하기 위한 후속연구를 이어나갈 계획이다.

한편, 기초지원(연)은 라만분광기를 활용해 그래핀의 층수와 그래핀 격자의 변형률에 대한 분석을 수행하였으며, 서울대 측은 그래핀 합성 및 원자현미경을 활용해 그래핀 합성에 따른 구리 포일의 표면 변형에 대한 분석을 수행했다.

또한 연구결과는 세계적인 나노분야 학술지인 나노레터(Nano Letters) 誌’ 온라인판(공동주저자 문준희, 교신저자 이주한, 논문명 : Strain Relaxation of Graphene Layers by Cu Surface Roughening, IF=13.779)에 지난 3일 게재되었다.