차세대 꿈의 소재로 불리는 그래핀의 휘어지는 전자소자 응용과 상용화 개발의 걸림돌로 작용해온 표면 구조의 비밀이 국내 연구진에 의해 처음으로 밝혀졌다.

건국대는 WCU(세계수준연구중심대학)사업 지원을 받는 물리학부 박배호 교수와 최진식, 김진수 연구원(박사과정)팀과 KAIST 박정영 교수팀이 그동안 개념상으로만 알려졌던 그래핀의 미세한 주름 구조와 도메인 구조, 그 구조들의 생성원리 및 열처리 공정을 통한 주름구조 제어 가능성을 최초로 규명했다고 밝혔다.

이번 연구결과는 세계적 과학저널인 ‘사이언스(Science)’誌에 8월 중 게재될 예정이며, 이에 앞서 ‘사이언스 온라인 속보인 ’사이언스 익스프레스(Science Express)’에 7월 1일자(한국시간)로 소개됐다. 이번 연구결과는 그래핀의 휘어지는 전자소자 등의 응용가능성을 한단계 확장시켰다는 평가를 받고 있다.

그래핀은 흑연의 표면층을 가장 얇게 한겹 떼어낸 2차원 탄소나노구조체로 실리콘이나 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고 강도도 강철보다 200배이상 강하며 열전도성과 신축성이 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기전도성이 유지돼 현행 실리콘 반도체를 대체할 차세대 전자 소자와 휘어지는 디스플레이, 입는 컴퓨터 등에 활용할 수 있는 ‘차세대 꿈의 신소재’로 부각되고 있다.

그러나 이론적으로 예측되었던 그래핀의 이러한 뛰어난 특성들이 지금까지 완벽하게 구현되지 못했으며 그 원인 중 하나로 그래핀의 주름구조가 의심되어 왔는데 국내 연구팀이 이 주름구조의 원인과 형태를 규명하고 이를 제거하는 방법을 찾아낸 것이다.

주름구조는 그래핀의 전기적 자기적 특성에 영향을 미쳐 그래핀으로 만든 소자의 성능을 저해할 수 있기 때문에 이러한 주름 구조의 생성 원인과 구조를 규명하고 이를 제어하는 방법을 찾는 것은 세계 과학계에서 그래핀의 상용화에 매우 중요한 연구 과제였다.

연구진은 기계적 박리법을 이용해 제작한 그래핀 박막을 원자힘 현미경을 이용하여 측정한 결과 물리적으로 똑같은 특성을 지닌 단일층 그래핀 내에서 마찰력이 현저히 다른 구역(비등방성 마찰력 도메인)이 존재하는 것을 발견했다.

또한, 연구진은 마찰력의 차이가 발생하는 원인을 밝히는 과정에서 그래핀에 잔주름의 방향이 다른 구역(domain, 도메인)이 존재함을 밝혔고, 적절한 열처리 공정을 이용하면 이런 구역구분이 없어지며 전체가 일정한 마찰력을 보이도록 재구성할 수 있음을 보였다.

건국대 박배호 교수는“이번 연구는 주름구역의 존재를 최초로 확인하였다는 점과 주름구조의 제어 가능성을 보임으로써 휘어지는 전자소자 등에의 응용가능성을 한 단계 확장시켰다는데 의의가 있고, 향후 활발한 후속연구를 기대한다”라고 밝혔다. 단일층으로 이루어진 그래핀은 표면 그 자체인 물질이므로 표면의 구조적 특성을 밝히는 것은 그래핀의 역학적, 전기적, 자기적 응용가능성을 좌우하는 중요한 연구 성과로 평가된다.

2010년 노벨물리학상의 주제이기도 한 그래핀은 전자 이동속도가 빠를 뿐만 아니라 구리보다도 100배 이상 전기가 잘 통한다. 뿐만 아니라 강도가 높아 휘거나 비틀어도 부서지지 않는 성질을 가지고 있기 때문에 최근에 전자소재 기기에서 많은 관심을 보이고 있는 플렉서블 전자기기 및 투명전극을 대체하고, 나아가 실리콘을 대체하여 초고속, 초고용량의 전자소자를 구현할 수 있는 ‘꿈의 신소재’로 불리고 있다.

박리법은 흑연에서 단일층 그래핀 막을 분리해 내는 방법으로 2010년 노벨물리학상의 영광을 안겨주었을 뿐만 아니라 그래핀 시편의 제작에 가장 많이 쓰이고 있는 일반적인 방법이다. 연구팀은 이러한 박리법을 이용해 제작한 그래핀 박막에서 원자힘 현미경의 마찰력 모드를 이용하여 도메인들이 구분 되는 현상을 최초로 확인하였다.

박리법으로 형성된 그래핀 박막은 결정성이 우수하기 때문에, 이미 유수의 논문들을 통해 현존하는 소재들에서 볼 수 없는 양자물리와 관련된 특이한 특성들을 보임이 확인되었다. 하지만 완벽한 2차원 구조의 그래핀 소자에서 이론적인 결과들을 통해 예측된 뛰어난 특성들은 실험적으로 완벽하게 구현되지 못하고 있다.

그 원인을 밝히기 위하여 실제 그래핀의 구조를 알아내기 위한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 본 연구에서는 지금까지 전혀 알려지지 않았던 주름구조의 존재를 최초로 확인하였다는 점에서 중요한 의미를 지닌다.

건국대 박배호 교수팀은 교과부 WCU 사업의 1유형으로 신설된 양자 상 및 소자 전공에, KAIST의 박정영 교수는 WCU 사업 신설된 EEWS대학원에 소속되어 있어 이번 연구는 WCU 사업의 성공적인 사례로 평가된다.

본 연구의 특이한 점으로는 그래핀과 관련된 국내 최고의 전문가인 서강대 정현식 교수팀, 성균관대 이창구 교수, KIAS 손영우 교수팀 등이 공동 연구에 참여했다는 점이다. 이에 따라 세계 물리학계의 관심사인 그래핀 연구에 있어서 국내 연구팀이 한 발 앞서나가는 계기를 마련한 것으로 평가되고 있다.

또 제 1 저자인 최진식 박사과정은 (2011. 8. 졸업예정) 제 2 저자인 김진수 박사과정과 함께, 학부·석사·박사를 모두 건국대에서 마친 순수 국내파로 학부 때부터 박배호 교수의 지도를 받아왔다.

건국대 박배호 교수는 “이번 연구를 통해 그래핀의 주름에 의한 도메인 구조를 관찰하고 열처리 공정으로 제어가 가능하다는 것을 밝혔다”며 “향후 고성능 그래핀 소자의 상용화를 위해 필수적인 물성평가 기술 및 공정 기술의 기반을 제공하게 될 것”이라고 밝혔다.
정우택 기자