이번 연구를 수행한 문준희(왼쪽) 박사와 박재성 박사.[KBSI 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 한국기초과학지원연구원(KBSI) 문준희 박사 연구팀과 한국표준과학연구원(KRISS) 박재성 박사 연구팀은 공동연구를 통해 구리 박막을 촉매로 그래핀을 합성할 때 발생하는 구리 스텝면과 그래핀 응력변화의 상관관계를 밝혀 고품질 그래핀 합성 연구에 중요한 정보를 제공했다고 16일 밝혔다.

그래핀은 탄소 원자가 겹겹이 쌓인 흑연에서 한 층을 분리한 물질로, 육각 벌집 구조 형태의 탄소원자가 2차원으로 배열된 것으로 세상에서 가장 얇고, 물리적 강도가 강하며 우수한 열전도성과 전기전도도를 지니고 있어‘꿈의 신소재’로 주목받고 있다. 다른 기술과 마찬가지로 신소재는 상용화하기까지 긴 시간이 걸리고 실패할 확률도 높지만, 엄청난 잠재력으로 그래핀은 여전히 많은 기대를 받고 있다.

높은 품질의 그래핀을 생산하는 기술 중 하나가 구리, 니켈과 같은 금속 표면에 그래핀을 증착(합성)하는 것인데 특히 구리의 경우 큰 면적의 포일에 그래핀을 균일하게 증착할 수 있는 기술이 개발되는 등 후속 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 그런데 이런 합성 과정에서 발생하는 물리화학적 현상들이 그래핀의 품질에 큰 영향을 미치기 때문에 구리와 그래핀 사이의 상호작용에 대한 연구가 매우 중요하다.

구리를 촉매로 섭씨 1000도의 고온에서 그래핀을 합성하는 경우, 냉각과정에서 그래핀은 팽창하고 구리는 수축하여 두 물질 사이에 응력이 발생하게 되고 그 영향으로 구리 표면이 물결모양으로 변화한다. 이때 구리 표면은 수 마이크로미터 크기의 간격으로 면(facet)이 변하는 형상을 나타내는데, 이번 연구에서 해당 면에 따라 그래핀 내 응력도 수 마이크로미터 간격으로 변화하는 현상을 처음으로 발견했다.

연구팀은 원자힘현미경을 이용하여 구리 표면의 형상을 관찰, 라만분광법을 활용해 해당 구리 면에서 형성된 그래핀의 응력 분포를 조사했다. 구리의 물결을 형성하는 면에 따라 그래핀의 응력이 변해 수 마이크로미터 스케일의 도메인 패턴 형태로 나타나는 것을 관찰했다.

(a) 구리박막 위에 합성된 그래핀의 라만 피크(G밴드) 이동 분포도에 대한 이미지 (b) 동일 영역의 그래핀 응력 분포도 (c) 도핑 분포도에 대한 이미지.[KBSI 제공]

KBSI 문준희 박사 연구팀은 그래핀을 합성 및 분석을 담당 구리 스텝 면에 따른 응력변화를 발견하였으며, 해당 응력이 마이크로미터 스케일 패턴 도메인 형태로 형성됨을 관찰했다. KRISS 박재성 박사 연구팀은 응력 도메인의 형태와 그래핀이 타겟 기판으로 전사됨에 따른 응력의 존재 여부에 관한 결과를 도출했다.

이번 연구는 그래핀 합성 시 구리표면과 그래핀의 응력 형태에 대한 첫 결과로써 향후 다양한 그래핀 소자 개발 시 중요한 고려사항에 대한 정보를 제공할 수 있다는 의미를 가지고 있다.

문준희 박사는 “그래핀 합성 시 구리표면 변화로 인한 그래핀 내 응력 발생 및 해소에 관한 보고는 많았지만, 구리면에 대한 그래핀의 응력 형태에 대한 보고가 부족하다”며 “이번 연구에서 열화학기상증착으로 합성된 그래핀은 구리 스텝면에 따라 응력 분포의 차이를 보이는 것을 처음으로 확인하였다는 것에 그 의미가 있다”고 밝혔다.

박재성 박사는 “그래핀의 응력 분포는 비등방성 전류의 흐름 등, 전기적 성질에 부정적 영향을 끼칠 수 있어 그래핀 응용에 필수적으로 고려되는 사항 중 하나”라며 “우리가 발견한 구리 위 그래핀의 응력 분포가 전사 후에는 풀려 전기적 특성에 거의 영향을 주지 않는다는 사실은 그래핀 촉각 센서 등 응용 소자를 개발할 때 쓰는 CVD 그래핀에 대한 고려해야 하는 변수를 제한해 준다”고 밝혔다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘스몰 스트럭처스’ 3월 7일 온라인 게재됐다.