기초과학연구원 (IBS, 원장 김두철) 다차원 탄소재료 연구단 로드니 루오프 단장(UNIST 특훈교수) 연구팀은 ‘엠보싱’을 넣은 것처럼 볼록하게 돌출된 반구 형태의 그래핀¹⁾을 제작해 기존 평면 그래핀보다 높은 화학적 반응성을 가짐을 실험적으로 확인했다. 또한 ‘엠보싱 그래핀’ 내부의 원하는 부위만 온도를 높여 선택적인 반응을 유도할 수 있다는 사실도 밝혀냈다. 라만 분광법²⁾을 이용한 이번 연구는 반응성이 높아 잠재적인 활용가치가 높지만 제작이 어려웠던 ‘엠보싱 그래핀’의 물리적, 화학적 물성을 발현시키는 실마리를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

그래핀의 평면 격자 구조³⁾를 변형하면 탄소원자의 반응성이 달라져 새로운 물성이 발현될 수 있다. 하지만 이 과정은 주로 복잡한 공정들을 수반해 그래핀이 손상되는 경우가 많아 관련 연구가 활발히 이루어지지 않았다. 그래핀 활용 분야 역시 주로 육각형 격자 구조 그대로의 평면 그래핀이 가진 고유의 성질을 활용하는 것⁴⁾에 국한되어왔다.

이번 연구에서 IBS 연구진은 흑연에서 떼어낸 고품질의 그래핀으로 연구에 적합한 크기와 높이를 가지는 엠보싱 그래핀을 만드는데 성공했다. 기판 위에 그래핀 박막을 올린 후 가열해 기판표면에 흡착되어 있던 불순물 분자들을 기화되며 그래핀 안에 갇히어 볼록하게 돌출된 엠보싱 그래핀을 만들었다. (그림 2 참고)

연구진은 라만 분광법을 이용해, 평평한 그래핀 격자에 굴곡이 생기면 탄소 원자간 거리가 늘어나고 장력(tension)이 생기면서 탄소 원자간 결합력이 약해져 화학적 반응성이 높아지는 것을 확인했다. (그림 3 참고) 마치 고무줄을 계속 잡아당기면 양 끝단의 거리가 늘어나고 팽팽해지면서 결국 끊어지게 되듯이, 원자간 결합이 약해지기 때문에 외부 요소에 의한 반응이 일어날 가능성이 높아진다.

추가적으로 연구진은 엠보싱 그래핀의 국소부분을 가열하고 라만분광법으로 측정한 수치를 바탕으로 해당 위치의 온도를 계산값으로 산출해 냈다. 이를 이용해 엠보싱 중심점에서 가장자리로 열이 확산되는 속도를 측정해 그래핀 고유의 특성인 높은 열전도성을 확인했다. 이번 연구 전까지 엠보싱 그래핀 내부의 온도를 측정하는 연구는 거의 없었으며, 열전도도 측정도 복잡한 과정을 수반했다.

더 나아가 연구진은 라만 분광법의 단일 파장 레이저 조사가 엠보싱 그래핀의 온도를 상승시킴에 착안하여, 엠보싱 그래핀의 온도를 제어하는 방법을 알아냈다. 엠보싱 그래핀 위에 레이저 빛을 조사하면 입사광과 반사광이 겹치면서 정상파⁵⁾가 형성된다. (그림 4 참고) 특히 엠보싱 그래핀 중심점에 조사시 최대 정상파가 형성되어 온도가 가장 높아졌고, 가장자리로 갈수록 정상파 형성이 어려워 온도가 낮아진다. 또한 레이저 빛의 강도에 따라 온도 변화의 폭이 결정됨을 실험적으로 밝혀냈다. 레이저 조사 위치와 빛의 강도에 따라 온도를 자유자재로 제어할 수 있게 된 것이다.

이번 연구를 이끈 루오프 단장은 “이번 연구는 라만분광법만으로 쉽게 그래핀의 높은 열전도성을 확인할 수 있다는 것을 보여주었고, 엠보싱 그래핀 온도 조절을 통해 선택적인 반응이 유도되는 메카니즘에 대한 새로운 시각을 제공한다”며, “또한 엠보싱 그래핀에 대한 물리적 성질을 더 이해한다면, 더욱 다양한 응용처를 찾을 수 있을 것”이라고 말했다.

예를 들어 엠보싱 그래핀 안에 특정 가스를 채워 레이저 빛를 조사해 온도를 올리면 내부에서만 화학적 반응이 일어나는 초소형 반응기⁶⁾가 된다. 또는 엠보싱 부분만 온도를 계속 높여 파열되도록 유도하면 특정 분자만 걸러낼 수 있는 분자체⁷⁾ (molecular sieve)로도 이용할 수 있다.

이번 연구결과는 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters, IF=8.462,DOI:10.1103/PhysRevLett.120.186104)에 미국 동부시간으로 5월 3일자에 게재됐다.

그림설명

▲ [그림 1] 원자현미경을 이용한 엠보싱 그래핀 3D 이미지

▲ [그림 2] 엠보싱 그래핀 형성과정기판상의 그래핀을 가열하면 기판에 흡착되어 있던 분자들이 기화되며 그래핀 안에 갇히어 볼록하게 돌출된 엠보싱 그래핀이 형성된다. 이렇게 형성된 엠보싱 그래핀은 보통 수십 마이크로미터(㎛) 지름을 갖는다.

▲ [그림 3] 엠보싱 그래핀으로 인한 라만 분광 시그널의 변화라만분광법은 빛이 어떤 매질을 통과할 때 산란된 빛이 원래 빛 에너지보다 얼마나 에너지가 손실되었는지를 파수(Wave Number)로 나타낸다. 분자 구조에 따라 에너지 손실이 달라지며, 라만 스펙트럼에 나타나는 G 밴드와 2D밴드의 위치와 세기도 달라진다. 일반적으로 평면 그래핀은 라만분광분석에서 G 밴드와 2D밴드가 각각 1578 cm^-1와 2690 cm^-1에서 3000 이상의 강도(intensity)로 관찰된다. 엠보싱이 생김으로 곡면이 형성되면 원자간 거리가 늘어나면서 결합력이 떨어져 낮은 파수와 세기로 변화한다.

▲ [그림 4] 정상파 형성으로 내부 온도가 상승된 엠보싱 그래핀엠보싱 그래핀 위에 레이저 빛을 조사하면 입사광과 반사광이 겹치면서 제자리에서 진동하는 정상파가 형성된다. 최대 정상파가 걸려있는 중심점이 온도가 가장 높고 가장자리로 갈수록 온도가 낮아진다.

▲ [그림 5] 레이저 조사 위치 변화에 따른 엠보싱 그래핀의 온도 분포Xc는 레이저 조사 중심점과 엠보싱 중심점과의 거리. 레이저를 엠보싱 중심점으로 수직으로 조사하였을 때(a) 가운데 부분이 가장 뜨겁고, 가장자리로 갈수록(그림b->c->d), 온도가 낮아진다.