[과학을 품다] ‘스트레스’…‘다재다능’ 그래핀 쉽게 만든다
상태바
[과학을 품다] ‘스트레스’…‘다재다능’ 그래핀 쉽게 만든다
  • 정종오 기자
  • 승인 2019.11.07 12:00
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

유니스트 연구팀, 그래핀 기능화 반응 촉진하는 새 방법 규명
구리 기판 표면의 결정구조에 따른 반응성 분석. 라만분광법을 이용해 3가지(단결정 구리(111), 단결정 구리(100), 다결정) 표면 결정구조를 갖는 기판 위에서 그래핀의 기능화 반응을 비교했다. 단결정 Cu(111) 표면(최상단)에서 가장 빠르고 균일하게 반응이 일어났다(색상변화). [사진=유니스트]
구리 기판 표면의 결정구조에 따른 반응성 분석. 라만분광법을 이용해 3가지(단결정 구리(111), 단결정 구리(100), 다결정) 표면 결정구조를 갖는 기판 위에서 그래핀의 기능화 반응을 비교했다. 단결정 Cu(111) 표면(최상단)에서 가장 빠르고 균일하게 반응이 일어났다(색상변화). [사진=유니스트]

이른바 ‘스트레스’가 다재다능한 그래핀을 쉽게 만들 수 있는 것으로 나타났다. 스트레스(Stress)란 물질에 외력이 가해졌을 때 그 물질 속에서 발생하는 저항력을 말한다. 내부에 생긴 스트레스에 따라 물질에 생긴 변형량을 변형률(strain)로 표시한다.

탄소가 육각형 벌집 구조로 이어진 ‘얇은 탄소막’인 그래핀은 우수한 물리, 화학적 성질 덕분에 차세대 재료로 주목받고 있다. 그래핀에 ‘기능기(functional group, 화학적 특성이 공통된 무리의 유기화합물에서 ‘각 특성의 원인이 되는 공통된 원자단 결합형식’)’를 더하면 더욱 다재다능해지는데 최근 이런 반응을 촉진 시킬 수 있는 새로운 방법이 밝혀졌다.

유니스트(UNIST) 자연과학부의 로드니 루오프 교수팀(IBS 다차원탄소재료 연구단 단장)은 기능기가 달린 그래핀을 합성할 때 ‘그래핀이 합성되는 구리 기판의 표면 결정 방향이 반응 속도와 균일도에 영향을 준다’는 사실을 알아냈다.

그래핀은 주로 화학기상증착법(CVD, 원하는 물질을 포함하고 있는 기체상태의 원료가스가 반응기 안으로 주입되면 열이나 플라즈마 등으로부터 에너지를 받게 되어 분해되는데, 이때 원하는 물질이 기판 위에 도달하여 막을 형성하는 기술)으로 합성된다. 높은 온도에서 기체상태의 원료(Precursor)가 금속 기판을 만나 분해되고 분해된 탄소들이 다시 결합하면서 그래핀이 만들어지는 원리다. 이때 원료가 되는 물질의 화학적 조성이나 금속 기판의 종류와 결정성 등이 그래핀이 가지는 성질에 영향을 준다.

이번 연구에서는 ‘구리 기판 표면의 결정구조’에 주목했다. 구리 금속은 원자들이 규칙적 배열을 이루며 쌓인다. 이를 결정구조라 한다. 결정구조가 똑같은 구리라도 자르는 단면의 방향에 따라 표면의 결정구조가 달라질 수 있다. 수박을 가로로 잘랐을 때와 세로로 잘랐을 때 표면이 다른 것과 비슷한 현상이다.

연구팀은 결정구조가 다른 세 종류의 구리 기판 위에서 환원기능기가 달린 그래핀을 합성했다. 그 결과 구리(111) 표면에서 일어나는 반응이 가장 균일하고 빨랐다. 구리(111) 표면에서 성장한 그래핀은 다른 결정구조의 표면보다 ‘스트레스’를 많이 받기 때문이다. 스트레스가 많으면 그래핀 내부에 압축변형(Strain)이 더 잘 일어나고 그 영향으로 기능기를 더하는 반응(기능화 반응)도 촉진되는 것이다.

연구팀은 내부 스트레스에 따른 압축변형 정도를 보여주는 ‘압축변형률’이 기능화 반응에 미치는 영향도 계산했다. 그 결과 압축변형률이 높을수록 반응에 필요한 추가 에너지가 적었다. 변형률이 높을수록 반응이 더 쉽게 일어나는 것이다. 구리 기판 위에서 스트레스를 받으며 성장한 그래핀은 기능화 반응에서는 스트레스의 덕을 보는 셈이다. 또 열을 가해서 ‘기능기’를 제거했을 때는 그래핀의 압축변형률이 원래대로 돌아오는 현상을 관찰할 수 있었다.

루오프 교수는 “단결정 그래핀에서 압축변형이 그래핀 표면의 반응성에 영향을 준다는 점을 규명한 뜻깊은 연구”라며 “화학기상증착법으로 성장한 그래핀은 태생적으로 스트레스로 인한 압축변형을 내포하므로 이번에 발견한 원리를 이용하면 기존보다 쉽게 그래핀의 성질을 조절할 수 있을 것”이라고 설명했다.

연구결과는 재료 화학 분야 국제 학술지인 ‘Chemistry of Materials’ 온라인에 10월 17일자(논문명: Effect of Copper Substrate Surface Orientation on the Reductive Functionalization of Graphene)에 실렸다.

정종오 기자  science@greened.kr

▶ 기사제보 : pol@greened.kr(기사화될 경우 소정의 원고료를 드립니다)
▶ 녹색경제신문 '홈페이지' / '페이스북 친구추가'


댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.