스트레스는 외부의 환경 변화에 반해 원래의 상태를 유지하기 위해 나타나는 내부의 반응을 뜻한다. 사람에겐 만병의 근원으로 뽑히는 스트레스가 새로운 소재를 합성하는 과정에선 환영받는 존재임이 밝혀졌다.

기초과학연구원(IBS, 원장 대행 김영덕) 다차원 탄소재료 연구단 로드니 루오프 단장(UNIST 자연과학부 특훈교수) 연구팀은 울산과학기술원(UNIST)과 공동으로 스트레스¹⁾가 그래핀에 기능기²⁾를 더하는 반응을 촉진시킨다는 연구결과를 발표했다.

탄소가 육각형 벌집 구조로 이어진 얇은 탄소막인 그래핀은 우수한 물리적·화학적 성질 덕분에 차세대 소재로 각광받는다. 더 나아가 그래핀에 각종 기능기를 추가(기능화 반응)하면 물리화학적 성질을 변화시켜 다재다능한 소재로 만들 수도 있다. 하지만 아직까지 그래핀의 기능화 반응을 촉진하는 명확한 메커니즘은 밝혀지지 않았다.

연구진은 그래핀 합성에 주로 사용되는 구리 기판의 표면 결정구조가 기능화반응에 영향을 준다는 사실을 밝혀냈다. 결정구조는 기판을 구성하는 구리 원자들이 배열한 형태를 말한다. 결정구조가 같더라도 단면의 방향에 따라 표면의 결정구조가 달라진다. 수박을 가로로 잘랐을 때와 세로로 잘랐을 때 표면이 다른 것과 마찬가지로, 똑같은 구리라도 결정구조 단면에 따라 구리(001), 구리(110), 구리(111) 등으로 구분된다.

연구진은 결정구조가 다른 세 종류의 구리 기판 위에서 그래핀의 기능화반응을 진행했다. 그 결과 구리(111)를 기판으로 사용했을 때가 가장 기능화 반응이 빠르고 균일하게 진행됨을 확인했다. 그 이유는 구리(111) 표면에서 성장한 그래핀이 가장 스트레스를 많이 받기 때문인 것으로 분석됐다.

연구진은 합성과정에서 그래핀이 스트레스를 받으면 압축변형이 잘 일어나고, 압축변형률이 클수록 반응에 필요한 추가 에너지가 적어지기 때문에 반응이 더 쉽게 일어나는 것이라고 설명했다. 구리 기판 위에서 스트레스를 받으며 성장했지만, 기능화 반응에서는 스트레스의 덕을 본다는 의미다. 한편, 열을 가해 기능기를 제거했을 때는 그래핀의 압축변형률이 원래대로 돌아오는 현상도 확인했다.

루오프 단장은 “단결정 그래핀에서 스트레스로 인한 압축변형이 그래핀의 반응성에 영향을 준다는 점을 규명한 뜻깊은 연구”라며 “이번에 발견한 원리를 이용하면 기존보다 쉽게 그래핀의 성질을 조절해, 다양한 기능성을 갖춘 그래핀을 제조할 수 있다”고 말했다.

이번 연구결과는 재료화학분야 국제 학술지인 ‘케미스트리 오브 머터리얼스(Chemistry of Materials)’ 10월 17일자 온라인 판에 실렸다.

그림설명

▲ [그림 1] 구리 기판 표면의 결정구조에 따른 반응성 분석라만분광법을 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)

▲ [그림 2] 기능화 반응과 열처리가 그래핀의 압축변형(strain)에 미치는 영향기능화 반응 전(a)과 기능화 반응 후(b)를 비교했을 때, 기능화 반응 후의 변형률이 낮아짐을 볼 수 있다. 또 열처리를 통해 기능기를 제거하면(c) 변형률이 반응 전과 유사한 수준으로 돌아온다.

▲ [그림 3] 압축변형률(strain rate)이 그래핀의 환원 기능화 반응 에너지에 미치는 영향압축변형률이 높을수록(압축변형률이므로 ‘–’절대값이 클수록) 환원 기능화 반응에 필요한 에너지가 낮아진다.