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그래핀, 아파트처럼 4층까지 쌓는다

고품질 다층 그래핀 쌓는 합성법 제시… 최초로 4층 합성 성공

요즘 말도 많고 탈도 많은 아파트. 한국 최초의 아파트는 1930년에 지어진 5층짜리 건물이라고 한다. 지금은 80층짜리 아파트가 있고 중동에는 200층짜리 건물도 있으니, 비약적인 건축 공법 발전이 있었던 것 같다.

한국 가구의 50%가 아파트에 산다고 한다.
▲ 한국 가구의 50%가 아파트에 산다고 한다.

엄청난 규모의 아파트를 짓는 것만큼이나, 아주 얇은 탄소층인 그래핀을 여러 층 쌓는 데에도 고난도 기술이 필요하다. 그래핀은 몇 층 겹쳐 있는지에 따라 응용성이 크게 달라지는데, 너무 얇아서 층수를 균일하게 하기 어렵고, 육각형이 이어지지 않고 결함이 생기기도 쉽다.

다양한 탄소구조체. 오른쪽 맨 위가 그래핀, 왼쪽 아래가 흑연이다.
▲ 다양한 탄소구조체. 오른쪽 맨 위가 그래핀, 왼쪽 아래가 흑연이다.

그래핀을 여러 겹 쌓으면 집적회로의 소형화가 가능하고, 반도체로 쓸 수 있다. 그러나 고품질 다층 그래핀을 균일하게 넓은 면적으로 기르기는 어려웠다. IBS 나노구조물리 연구단은 4층에 이르는 다층 그래핀을 규칙적이고 균일하게 성장시키는 합성법을 개발했다. 4층짜리 균일한 그래핀은 최초일 뿐만 아니라, 대면적으로 합성할 수 있어 다양한 신소재에 응용될 것으로 기대된다.

그래핀은 어떻게 쌓을까? 고성능 그래핀 합성에는 일반적으로 화학기상증착법(기체 형태의 화합물을 고체 표면과 반응시켜 코팅하듯 증착시키는 방법)이 쓰인다. 얇은 금속 막 위에서 그래핀을 성장시키는데, 구리처럼 낮은 탄소용해도를 가진 금속은 단층 그래핀을 만들고, 니켈처럼 높은 용해도의 금속은 다층 그래핀을 만든다. 그러나 이 방법을 이용하면 다층 그래핀은 층수가 불균일해지는 문제 때문에 고품질로 만들기 어려웠다.

연구진은 구리 기반 합금으로 탄소 용해도를 높이는 데 초점을 맞추고, 여러 시도 끝에 구리-실리콘(Cu-Si) 합금을 만드는 방법을 개발했다.

구리-실리콘 합금을 통한 다층 그래핀 성장 모식도

이후 메탄 기체를 주입해, 메탄의 탄소 원자와 석영 튜브의 실리콘 원자가 구리 표면에 균일한 실리콘-탄소(Si-C) 층을 만들도록 했다. 이 층이 앞서 합성한 구리-실리콘 합금의 탄소용해도를 제어한다.

이렇게 만든 기판에서 성장시킨 그래핀은, 기존의 불균일한 다층 그래핀 합성과는 달리 1, 2, 3, 4층으로 균일하고, 메탄 농도에 따라 층수 조절이 가능했다. 또 보통은 각 층이 각도와 위치가 다르게 쌓여 조절하기 어려운데, 이번 연구에서는 아파트처럼 각 층의 육각형 모양이 정확히 같은 위치와 각도로 겹쳐 더욱 정교한 그래핀을 만들었다.

1~4층 그래핀의 전자 현미경 사진

세계 각국에서 경쟁적으로 마천루를 짓고 있는 동안, 전세계 과학자들은 경쟁적으로 그래핀을 쌓고 있는 셈이다. 5층, 6층, 10층 등 그래핀이 쌓여 나가는 기록을 보는 것도 재미있는 일이 될 것 같다.

IBS 커뮤니케이션팀
최지원

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    최종수정일 2019-12-17 14:32