그래핀은 몇 개의 단층 그래핀이 어떤 구조로 겹쳐있는지에 따라 성질이 크게 달라진다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 로드니 루오프 다차원 탄소재료 연구단장(UNIST 특훈교수)이 이끄는 공동연구팀은 그래핀의 층수 및 적층순서를 제어할 수 있는 새로운 금속기판을 설계하고, 이를 토대로 반도체의 특성을 가진 단결정 다층 그래핀을 합성했다.

흑연의 원자 한 층인 그래핀은 우수한 전기전도도와 신축성을 갖춘 것은 물론 투명해 전자소자로서 높은 응용가능성을 지닌 소재다. 이러한 그래핀이 가진 한계점 중 하나는 전류의 흐름을 제어할 수 있는 성질인 ‘밴드갭(Band Gap)¹⁾’이 없다는 점이다. 밴드갭이 없으면 전자소자의 전원을 켜고(on) 끌(off) 수 없기 때문에 응용이 제한적이다.

AB 적층구조의 이중층 그래핀은 이런 그래핀의 단점을 극복할 소재로 주목받는다. AB 적층 그래핀은 상층 그래핀(A패턴)의 탄소 원자 중 절반이 하층 그래핀 육각형의 중심에 위치한(B패턴) A패턴과 B패턴이 반복되는 구조로 특정조건에서 밴드갭을 가질 수 있는 것으로 알려져 있다. 하지만 현재 기술로는 그래핀의 적층 층수 및 순서를 제어하기 어려울뿐더러 제조된 면적이 수㎜ 수준으로 작아 실제 상용 소자와는 거리가 있었다.

연구진은 그래핀의 층수 및 적층순서를 제어하기 위해 새로운 단결정 합금 기판을 설계했다. 우선, 탄소용해도²⁾가 낮은 기존 구리 기판은 단층의 그래핀을 성장시킬 수밖에 없다는 점에 착안해 구리보다 높은 탄소용해도를 가진 니켈에 주목했다.

연구진은 단결정 구리(111)³⁾ 포일에 니켈을 전기도금하고, 1050℃의 온도에서 열처리를 진행해 구리와 니켈을 모두 포함하는 단결정 합금 포일을 제조했다. 이후 니켈의 함량을 증가시켜가며 합성되는 그래핀의 형태를 분석했다. 니켈의 함량이 10% 미만일 때는 단층 그래핀이 합성되지만, 그 이상에서는 다층의 그래핀이 형성됨을 확인했다. 특히, 니켈의 함량이 16.6%일 경우에는 AB 적층구조를 갖는 이중층 그래핀이 균일하게 형성됐다.

이종훈 IBS 다차원 탄소재료 연구단 그룹리더(UNIST 교수) 연구팀은 성장된 AB 이중층 및 ABA 삼중층 그래핀의 결정 구조를 투과전자현미경(TEM)으로 분석한 결과 성장된 그래핀이 소재 전체에 걸쳐 원자가 규칙적으로 배열된 단결정 형태임을 확인했다.

1저자인 밍 후왕 연구위원은 “크기 2㎠ 합금포일 기판의 95%에 해당하는 면적에서 AB적층 이중층 그래핀을, 60%의 면적에서 ABA 삼중층 그래핀을 성장시킬 수 있었다”며 “다층 그래핀의 각 층은 상부 층의 아래에서 자라며 거꾸로 놓인 웨딩케이크 모양처럼 합성된다는 성장 메커니즘도 규명했다”고 설명했다.

이렇게 합성된 대면적 이중층 그래핀은 약 2300W/mK(와트퍼미터켈빈)의 열전도도와 478GPa의 강성도 등 우수한 성능을 나타냈다. 유원종 성균관대 교수팀은 그래핀의 전기적 특성을 측정한 결과, 합성된 그래핀이 전기장에 따라 저항 값이 변한다는 것을 관찰했다. 전기장을 가해 그래핀의 밴드갭을 변화시킬 수 있다는 것으로 전자소자로 사용할 수 있는 가능성을 확인했다는 의미다.

로드니 루오프 단장은 “이번 연구에서 합성한 단결정 구리/니켈 합금 포일은 새로운 탄소재료를 합성하기 위한 유용한 도구가 될 것”이라며 “기존 실리콘 등의 반도체 소자와는 달리 적외선 영역의 파장을 흡수할 수 있어 새로운 형태의 나노광전자소자로 응용될 수 있다”고 설명했다.

연구결과는 재료분야 권위 있는 국제학술지인 Nature Nanotechnology(IF 33.407) 1월 21일자에 게재됐다.

그림설명

▲ [그림 1] AB 적층구조 다층 그래핀의 구조상층 그래핀 속 탄소 원자 중 절반이 하층 그래핀 육각형의 중심에 위치한 A패턴과 B패턴이 반복되는 구조를 AB적층구조라고 한다. 이중, AB적층 이중층 그래핀은 특정 조건에서 밴드갭을 가질 수 있는 것으로 알려져 있다.

▲ [그림 2] 합성된 다층 그래핀의 광학 현미경 및 라만 분석 결과합성된 다층 그래핀의 광학현미경(c,g) 및 라만 mapping 결과(d,e,g,h). 라만 mapping에서 나타나는 균일한 색은 합성된 샘플이 넓은 영역에서 균일한 특성을 가짐을 나타낸다.

▲ [그림 3] AB 적층 이중층 그래핀의 투과전자현미경(TEM) 이미지연구진이 합성한 AB 적층 이중층 그래핀의 가장자리를 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 모습. 그림a에 보이는 2개의 선은 각 그래핀의 층을 나타낸다. 고분해능 TEM으로 분석한 결과(b) 합성된 그래핀이 AB 적층구조를 가지고 있음을 확인할 수 있었다.

▲ [그림 4] 저속 전자선 회절⁴⁾ 관찰 결과1cm x 1cm 크기의 샘플에서 무작위로 선택된 위치에서 측정된 저속 전자선 회절 결과. 샘플의 전 영역에 걸쳐 단결정임을 보여준다.

▲ [그림 5] 주사전자현미경을 통한 다층 그래핀 에칭의 실시간 관찰 결과연구진은 AB 다층 그래핀의 상층에서 하부 층의 그래핀이 성장한다는 메커니즘도 규명했다. 다층 그래핀은 (i)와 같이 거꾸로 된 웨딩케이크의 구조를 이룬다.