같은 물질이라도 두께에 따라 물성은 달라진다. 종이 한 장은 약한 힘으로 쉽게 찢을 수 있지만, 여러 장을 찢으려면 많은 힘이 필요하다는 점을 생각해보면 된다. ‘꿈의 신소재’ 그래핀도 마찬가지다. 하지만 그래핀의 두께에 따른 물성 변화는 아직까지 정확히 밝혀지지 않았다.

▲ 그래핀은 흑연의 한 층에서 떼어낸 2차원 물질로 전기‧화학적 특성이 우수해 반도체 분야 ‘꿈의 신소재’로 불린다. 하지만 아직까지 두께에 따른 습윤 특성 변화 등 물성 차이가 면밀히 밝혀지진 않았다. (출처: Flickr)

기초과학연구원(IBS) 조민행 분자 분광학 및 동력학 연구단장 연구팀은 그래핀의 두께에 따른 습윤 특성 변화를 분자 수준에서 처음으로 규명했다.

습윤성(wettability)은 표면이 물에 젖기 쉬운 정도를 나타내는 성질이다. 다른 증착물질들과 달리 그래핀의 습윤성은 함께 사용되는 기판의 종류에 따라 다르게 나타난다. 기판의 습윤성이 얇은 그래핀을 투과하여 표면으로 전달되기 때문으로 알려졌지만, 그 메커니즘이 명확히 밝혀지진 않았다. 또한 그래핀이 친수성 물질인지, 소수성 물질인지도 알 수 없었다.

지금까지 그래핀 습윤성 연구는 주로 거시적 현상 관찰에 그쳤다. 그래핀 위에 물 한 방울을 떨어뜨리고 그 모양을 통해 습윤성을 파악하는 식이다. 하지만 이런 방식으로는 그래핀 표면의 대략적 특성만 파악할 뿐, 그래핀과 물의 계면에서 일어나는 현상을 분자 수준에서 면밀히 측정하기 어려웠다. 그래핀은 실제 응용 환경에서 물과 접촉하는 경우가 많기 때문에 그래핀과 물이 접촉한 계면에서의 특성을 파악하는 것이 중요하다.

IBS 연구진은 ‘합-주파수 생성 분광법’이라는 기술을 이용하면 그래핀-물 계면에 위치한 물 분자의 수소결합 구조만 선택적으로 관측하는 것이 가능함을 발견했다. 연구진은 플루오린화칼슘(CaF2) 기판 위에 그래핀을 한 층씩 차례로 증착해가며 합-주파수 생성 분광법을 통해 계면 물 분자의 진동을 관측했다. 그 결과 그래핀 층수에 따른 물 분자의 수소결합 구조 변화를 파악할 수 있었다. 기판의 습윤성이 그래핀을 투과하는 성질은 그래핀 층이 쌓일수록 감소했다. 특히, 4층 이상의 그래핀에서는 소수성 계면에서만 관측되는 수소결합을 하지 않는 물 분자들이 관찰됐다.

▲ 합-주파수 생성 분광법을 이용하여 얻은 그래핀-물 계면에서 물 분자의 수소결합 구조. 그래핀을 4겹 이상 쌓으면 소수성 계면의 특징이 나타나는 것으로 확인됐다.

조민행 단장은 “그래핀의 층수가 증가하면 그 계면의 소수성이 증가하는 것을 분자적인 수준에서 설명한 첫 번째 사례”라며 “그래핀이 물에서 활용될 경우 계면의 소수성이 효율성을 결정하는 핵심 요소인 만큼, 이번 연구가 최적의 그래핀 설계를 위한 아이디어를 제시할 것으로 기대한다”고 말했다.

연구결과는 셀(Cell)의 화학 분야 자매지인 켐(Chem) 4월 10일자 온라인 판에 게재됐다.

IBS 커뮤니케이션팀
권예슬