그래핀(graphene)¹⁾의 특성이 제대로 발휘되는 ‘단결정 그래핀’을 빠르게 만들 방법이 나왔다. 그래핀을 전자소자에 응용하기 위한 중요한 연구로 주목 받고 있다.

로드니 루오프 특훈교수 IBS 다차원 탄소재료 연구단장(UNIST 자연과학부 특훈교수)연구팀은 ‘단결정 구리-니켈 합금 포일(foil)’을 이용해 단결정 그래핀의 성장 속도를 약 10배 이상 높일 수 있는 기술을 개발해 ACS Nano 5월 23일자에 게재했다.

현재까지 그래핀 제작에 많이 쓰는 공정인 화학기상증착법(CVD)²⁾에서는 주로 다결정 구리 기판을 촉매로 사용했다. 촉매인 구리 위에 메탄(CH₄)과 수소(H₂) 혼합 가스를 흘리면, 탄소(C)만으로 이뤄진 그래핀이 형성된다. 이때 바탕이 되는 구리의 결정 방향(crystal orientation)이 다양하므로 그래핀 역시 결정의 방향이 여럿인 ‘다결정 그래핀’으로 자라난다.

하지만 다결정 그래핀은 탄소 원자로 이뤄진 결정립(crystal grain)들이 서로 어긋나, 그래핀의 우수한 전기전자도와 전하이동도 등의 특성이 저하될 수 있다. 이에 과학자들은 결정이 한 방향으로 정렬된 단결정 그래핀을 만들어 그래핀의 특성을 올곧게 활용할 방법을 찾아왔다.

제1저자인 밍 후앙 IBS 다차원 탄소재료 연구단 연구원(UNIST 신소재공학부 박사과정 연구원)은 “최근 그래핀과 격자 구조가 비슷한 ‘구리(111)³⁾ 단결정’을 기판으로 쓰는 에피택시(epitaxy)⁴⁾방식이 시도되고 있다”며 “바탕이 되는 구리(111)의 결정 방향이 일정하고, 격자 구조가 비슷해 단결정에 가까운 그래핀을 성장시킬 수 있다”고 설명했다.

루오프 교수팀은 여기서 한 발 더 나아가 구리(111) 단결정 포일에 니켈을 더한 ‘구리-니켈(111) 단결정 합금 포일’을 만들고 이를 기판으로 사용했다. 이때 구리-니켈 합금 포일의 표면에는 구리 원자 6개마다 니켈 원자 1개가 규칙적으로 존재하는 구리-니켈 초격자구조(Cu₆Ni superstructure)가 형성된다.

밍 후앙 연구원는 “밀도함수이론(Density Functional Theory, DFT)로 계산한 결과, 니켈이 첨가되면서 그래핀의 원료인 메탄(CH₄) 분해에 필요한 에너지가 크게 감소했다”며 “그 덕분에 구리(111) 기판에서 약 60분 동안 성장시킨 면적의 그래핀을 구리-니켈(111) 합금 기판 위에서는 5분 만에 만들 수 있었다”고 밝혔다.

연구팀은 또 그래핀 단일층에서 약 40나노미터⁵⁾ 넓이의 ‘접힘선(fold)’을 발견했다. 이들은 대략 20마이크로미터⁶⁾간격으로 서로 평행하게, 금속 기판에 있는 줄무늬(step edge)에는 수직하게 나타났다. 연구팀은 그래핀 성장이 완성되지 않았을 때 듬성듬성 생기는 그래핀 섬(graphene islands)⁷⁾들이 서로 결합되는 영역에서 그래핀 접힘선이 형성되는 장면을 고분해능 투자전자현미경을 통해 세계 최초로 관찰했다.

이 현상은 열에 대한 그래핀과 금속의 부피 변화량이 달라서 나타난다. 금속 기판은 고온에서 팽창하고 냉각 시 크게 줄어든다. 하지만 고온에서 늘어난 금속 기판에서 성장한 그래핀은 냉각 시에도 별로 변하지 않는다. 이 때문에 냉각 시 그래핀에 주름지듯 접힘선(3층 구조)이 나타나는 것이다.(그림 3 참고)

루오프 교수는 “그래핀 접힘선은 그래핀과 금속 기판의 서로 다른 열수축(thermal contraction) 때문에 생기는 압축응력(compresive stress)이 원인”이라며 “특히 그래핀 섬이 만나는 지점에서 압축응력이 집중되면서 접힘선이 발생하는데, 이번에 처음으로 접힘선의 존재를 제대로 확인했다”고 말했다.

그는 이어 “이번 연구에서는 구리-니켈(111) 단결정 포일의 표면 초격자구조를 규명하고, 이를 이용한 그래핀의 고속 성장과 그래핀 접힘선의 3층 구조를 세계 최초로 규명했다”며 “특히 그래핀 섬들이 결합하면서 나타나는 현상은 다른 2차원 재료와 박막 연구에 도움이 될 것”이라고 의미를 짚었다.

그림설명

▲ [그림 1] 구리-니켈(111) 단결정 합금 포일과 이를 이용해 정렬된 단일층 그래핀의 성장 공정 개념도(위).
단결정 그래핀 섬과 단결정 그래핀 필름의 주사전자현미경 (scanning electron microscopy) 사진들(아래).구리(111) 단결정 포일위에 니켈을 증착한 후, 열처리를 통해 구리-니켈(111) 단결정 합금을 제조한다. 이 포일을 기판으로 삼고, 화학기상증착법으로 그래핀을 만들면, 한 방향으로 정렬된 그래핀 섬을 성장시킬 수 있다. 이러한 그래핀 섬들이 서로 결합해, 궁극적으로는 연속적인 그래핀 단일층을 형성하게 된다. 단결정 그래핀 섬의 주사전자현미경 사진에서는 그래핀 섬들이 서로 한 방향으로 정렬된 걸 확인할 수 있으며, 그래핀 단일층에서는 접힘선들이 서로 정렬돼 있는 걸 확인할 수 있다.

▲ [그림2] 그래핀 섬과 그래핀 필름의 접힘선들그래핀의 접힘선은 그래핀과 금속기판의 열수축 차이에 의한 압축응력에 의해 발생한다. 특히나 그래핀 섬의 접함 부분에서 이러한 압축응력이 집중적으로 나타나며, 집중된 압축응력을 최소화하기 위해 접힘선이 생긴다.

▲ [그림3] 그래핀 섬의 접합부에서 관찰된 접힘선의 고분해능 투과전자현미경 사진들그래핀의 접힘선은 위 개념도에 나타낸 것과 같은 3층 그래핀 구조로 이뤄지게 된다. 투과전자현미경 사진에서 1L 표시된 영역은 단일층 그래핀, 3L로 표시된 영역은 3층 그래핀, 2L로 표시된 부분은 3층 그래핀이 전자빔에 의해 1층이 깎이면서 나타난 영역이다.