기초과학지원硏, 그래핀 합성시 응력 변화 관측

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 고품질 그래핀 합성 연구에 필요한 정보를 제시했다.

연구진의 모습.(왼쪽부터)문준희 한국기초과학지원연구원 선임연구원, 박재성 한국표준과학연구원 책임연구원(오른쪽).(사진=한국기초과학지원연구원)

한국기초과학지원연구원은 문준희 소재분석연구부 박사 연구팀과 박재성 한국표준과학연구원 촉감표준융합연구단 박사 연구팀이 구리 스텝면과 그래핀 응력(외력이 작용하면 내부에서 저항하는 힘) 변화의 상관관계를 밝혔다고 16일 밝혔다.

그래핀은 탄소 원자가 겹겹이 쌓인 흑연에서 한 층을 분리한 물질이다. 육각 벌집 구조 형태의 탄소원자가 2차원으로 배열된 것이다. 얇고, 물리적 강도가 강하며 우수한 열전도성과 전기전도도를 지녔다.

높은 품질의 그래핀을 생산하는 기술 중 하나가 구리, 니켈과 같은 금속 표면에 그래핀을 증착(합성)하는 것이다. 그런데 합성 과정에서 발생하는 물리화학적 현상들이 그래핀 품질에 영향을 줘서 구리와 그래핀 사이의 상호작용 연구가 중요하다.

구리를 촉매로 섭씨 1000도의 고온에서 그래핀을 합성하는 경우, 냉각과정에서 그래핀은 팽창하고 구리는 수축해 두 물질 사이에 응력이 발생하게 되고. 그 영향으로 구리 표면이 물결모양으로 변화한다. 이 때, 구리 표면은 수 마이크로미터 크기의 간격으로 면(facet)이 변하는 형상을 나타낸다. 이번 연구에서 해당 면(facet)에 따라 그래핀 내 응력도 수 마이크로미터 간격으로 변화하는 현상이 발견됐다.

연구팀은 원자힘현미경을 이용해 구리 표면 형상을 관찰했다. 또 라만분광법을 활용해 해당 구리 면에서 형성된 그래핀의 응력 분포를 조사해 구리의 물결을 형성하는 면(facet)에 따라 그래핀 응력이 변해 수 마이크로미터 규모의 도메인 형태로 나타나는 것을 관찰했다.

문준희 기초과학지원연 박사는“구리면에 대한 그래핀의 응력 형태에 대한 보고가 부족하다”라며 “열화학기상증착으로 합성된 그래핀이 구리 스텝면에 따라 응력 분포의 차이를 보이는 것을 처음 확인했다는 점에서 의미가 있다”라고 밝혔다.

연구결과는 표면 분야 국제 학술지 ‘Small Structures’에 지난 달 7일 온라인 게재됐다.

연구 이미지.(a) 구리박막 위에 합성된 그래핀의 라만 피크(G밴드) 이동 분포도에 대한 이미지 (b) 동일 영역의 그래핀 응력 분포도 (c) 도핑 분포도에 대한 이미지.(사진=한국기초과학지원연구원)