▲ 엠보싱 그래핀의 구조

IBS 연구진이 그래핀을 ‘엠보싱’ 형태로 만들어 원하는 부위만 온도를 높여 선택적인 반응을 유도해냈다. 활용가치가 높지만 제작이 어려웠던 ‘엠보싱 그래핀’의 물리적, 화학적 물성을 발현시키는 실마리를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

기초과학연구원 (IBS, 원장 김두철) 다차원 탄소재료 연구단 로드니 루오프 단장(UNIST 특훈교수) 연구팀은 ‘엠보싱’을 넣은 것처럼 볼록하게 돌출된 반구 형태의 그래핀을 제작해 기존 평면 그래핀보다 높은 화학적 반응성을 가짐을 실험적으로 확인했다고 지난 10일 밝혔다.

그래핀의 전기적, 기계적 성질은 그래핀의 폭을 줄이거나 육각형 격자에 곡면을 형성하는 것처럼 변형을 주면 조절이 가능하다. 원래의 평면격자 구조를 변형하면 반응성이 달라져 새로운 물성이 발현될 수도 있다.

하지만 이 과정이 복잡한 공정을 수반해 그래핀을 손상시키는 경우가 많았고, 그래핀의 활용은 자연적으로 원래의 육각형 격자 주고 그대로의 평면 그래핀을 활용하는 데에 국한되어왔다.

이에 IBS 연구진은 흑연에서 떼어낸 고품질의 그래핀으로 연구에 적합한 크기와 높이를 가지는 엠보싱 그래핀을 만드는데 성공했다.

기판 위에 그래핀 박막을 올린 후 가열해 기판표면에 흡착되어 있던 불순물 분자들을 기화되며 그래핀 안에 갇히어 볼록하게 돌출된 엠보싱 그래핀을 만들었다.

연구진은 라만 분광법을 이용해, 평평한 그래핀 격자에 굴곡이 생기면 탄소 원자간 거리가 늘어나고 장력(tension)이 생기면서 탄소 원자간 결합력이 약해져 화학적 반응성이 높아지는 것을 확인했다.

또한 엠보싱 그래핀의 국소부분을 가열하고 라만분광법으로 측정한 수치를 바탕으로 해당 위치의 온도를 계산값으로 산출해 냈다. 기존에는 엠보싱 그래핀 내부의 온도를 측정하는 연구가 없었고 열전도도 측정도 복잡한 공정을 구반했다.

뿐만 아니라 라만 분광법의 단일 파장 레이저 조사가 엠보싱 그래핀의 온도를 상승시킴에 착안하여, 엠보싱 그래핀의 온도를 제어하는 방법을 알아냈다. 레이저 빛의 강도에 따라 온도를 자유자재로 제어할 수 있는 사실을 밝힌 것이다.

루오프 단장은 “이번 연구는 라만분광법만으로 쉽게 그래핀의 높은 열전도성을 확인할 수 있다는 것을 보여주었고, 엠보싱 그래핀 온도 조절을 통해 선택적인 반응이 유도되는 메카니즘에 대한 새로운 시각을 제공한다”고 밝혔다.

이어 “또한 엠보싱 그래핀에 대한 물리적 성질을 더 이해한다면, 더욱 다양한 응용처를 찾을 수 있을 것”이라고 말했다.

예를 들어 엠보싱 그래핀 안에 특정 가스를 채워 레이저 빛를 조사해 온도를 올리면 내부에서만 화학적 반응이 일어나는 초소형 반응기가 된다. 또는 엠보싱 부분만 온도를 계속 높여 파열되도록 유도하면 특정 분자만 걸러낼 수 있는 분자체 (molecular sieve)로도 이용할 수 있다.

한편, 이번 연구결과는 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters, IF=8.462 ,DOI:10.1103/PhysRevLett.120.186104)에 미국 동부시간으로 5월 3일자에 게재됐다.