'스트레스'가 다재다능한 그래핀 만든다

로드니 루오프 UNIST 교수팀, 그래핀 기능화 반응 촉진하는 새 방법 규명

구리 기판 표면의 결정구조에 따른 반응성 분석

[아시아경제 김철현 기자] 탄소가 육각형 벌집 구조로 이어진 '얇은 탄소막'인 그래핀은 우수한 물리적, 화학적 성질 덕분에 차세대 재료로 각광을 받는다. 그래핀에 '기능기'를 더하면 더욱 다재다능해지는데 최근 이런 반응을 촉진 시킬 수 있는 새로운 방법이 밝혀졌다.

울산과학기술원(UNIST)은 자연과학부의 로드니 루오프 교수팀이 기능기가 달린 그래핀을 합성할 때 '그래핀이 합성되는 구리 기판의 표면 결정방향이 반응 속도와 균일도에 영향을 준다'는 사실을 밝혀냈다고 7일 발표했다.

그래핀은 주로 화학기상증착법으로 합성된다. 높은 온도에서 기체상태의 원료가 금속 기판을 만나 분해되고, 분해된 탄소들이 다시 결합하면서 그래핀이 만들어지는 원리다. 이때 원료가 되는 물질의 화학적 조성이나 금속 기판의 종류와 결정성 등이 그래핀이 가지는 성질에 영향을 준다.

이번 연구에서는 '구리 기판 표면의 결정구조'에 주목했다. 구리 금속은 원자들이 규칙적 배열을 이루며 쌓이는데, 이를 결정구조라고 한다. 결정구조가 똑같은 구리라도 자르는 단면의 방향에 따라 표면의 결정구조가 달라질 수 있다. 연구팀은 결정구조가 다른 세 종류의 구리 기판 위에서 환원기능기가 달린 그래핀을 합성했다. 그 결과 구리 표면에서 일어나는 반응이 가장 균일하고 빨랐다. 구리 표면에서 성장한 그래핀은 다른 결정구조의 표면보다 '스트레스'를 많이 받기 때문이다. 스트레스가 많으면 그래핀 내부에 압축변형이 더 잘 일어나고 그 영향으로 기능기를 더하는 반응도 촉진되는 것이다.

루오프 교수는 "단결정 그래핀에서 압축변형이 그래핀 표면의 반응성에 영향을 준다는 점을 규명한 연구"라며 "화학기상증착법으로 성장한 그래핀은 태생적으로 스트레스로 인한 압축변형을 내포하므로, 이번에 발견한 원리를 이용하면 기존보다 쉽게 그래핀의 성질을 조절할 수 있을 것"이라고 설명했다.

김철현 기자 kch@asiae.co.kr