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.

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.

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.

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.

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