그라핀의 두께를 알아내는 열쇠를 찾다

포항가속기연구소의 김봉수 박사팀과 KAIST 화학과의 김세훈 교수팀이 그라핀(Graphene) 층의 두께에 따른 탄소결합에너지 차이를 밝히는 영상을 포항방사광가속기를 활용하여 얻는데 성공했다.
이러한 연구 연구성과는 세계적인 재료과학전문지인 Advanced Materials지 온라인판(8월 22일)에 약식 게재되었고, 10월 2일 발매될 10월호에 정식 게재된다.

흑연(Graphite, 그라파이트)을 원료로 2004년에 처음 만들어진 그라핀(Graphene)은 투명한 물질로 두께가 원자 한 개 수준에 불과하여 우주에서 가장 얇은 물질 중 하나로 알려져 있다.
불활성인 우수전도체로 전기광학장치 응용에 널리 사용되며 그라핀에 분자나 금속을 첨가하면 전기적 특성을 변화시킬 수 있어 실리콘을 대체할 수 있는 차세대 후보물질로 각광받고 있다. 

연구팀은 흑연을 붙인 셀로판테이프를 300㎚ 두께의 산화규소 기판 에 접촉시킨 후 떼어내는 방법으로 그라핀을 준비하고, 포항방사광가속기의 광전자 분광 현미경(SPEM) 빔라인에서 그라핀의 두께에 따른 화학적 영상을 얻는데 성공하였고, 단층, 세층, 다층구조에서 층간 탄소 결합에너지 차이를 측정하였다. 

그라핀의 전기적인 특성은 두께에 따라 매우 다르게 나타나기 때문에 그라핀의 두께에 대한 정보를 알아내는 것은 매우 중요한데, 이번 연구에서는 결합에너지 차이를 이용하여 그라핀의 두께를 추측할 수 있는 방법을 제시하였다는 점에서 큰 의의가 있다고 본다.

또한, 그라핀에 분자나 금속을 첨가할 때 발생하는 전자적ㆍ화학적 구조변화는 그라핀을 활용한 장치의 성능과 직결되기 때문에 이러한 구조변화에 대한 정보를 알아냈다는 것은 후속 연구에 중요한 영향을 미치게 될 것이다.

본 연구의 주저자인 김기정 박사(포항가속기연구소)는 “본 연구결과는 향후 그라핀을 활용한 디스플레이소자, 각종 반도체 소자, 가스 센서, 수소저장장치, 태양광소자, 스핀소자 등의 연구분야에 광범위하게 적용될 것으로 예상된다.”고 말했다. 

[ 방사광가속기 ] ○ 선형가속기에서 전자를 빛의 속도에 가깝게 통해 가속시켜 저장링에 입사시킨 다음 이극자석, 삽입장치 등을 활용하여 전자를 휘게하여 방사광을 발생시켜 실험을 수행하는 거대연구시설 ○ 적외선에서 X-선에 이르는 다양한 빛이 동시에 나오며 연구자의 필요에 따라 적정파장의 빛을 분광하여 실험에 활용 [ 그라핀 ] ○ 단원자층의 탄소원자만으로 구성된 2차원 구조이며, C60, 탄소 나노 튜브, 흑연을 만드는 기본 구조   - 2004년 영국 맨체스터 대학교 연구팀(앙드레 게일)과 러시아 마이크로일렉트로닉스 연구소의 연구팀은 흑연을 셀로판테이프 위에 흡착시킨 뒤, 이를 산화규소 기판 위에서 문지르는 간단한 방법으로 그라핀을 만들고 특성을 측정하는 것을 성공시킴   - 미국 물리학회(APS)와 영국 학술지(Nature Nanotechnology)는 그라핀을 미래 정보기술을 바꿀 가장 주목할 만한 신소재로 꼽고 있으며, 미국 매사추세츠공대(MIT)가 펴내는 ‘테크놀로지 리뷰’도 그라핀 트랜지스터를 10대 유망 기술 중 하나로 지목 ○ 그라핀의 특징   - 물리적으로 투명하며 전기적으로 도체의 성질을 가짐   - 그라핀 내의 전자들이 정지 질량이 없는 상대론적 입자처럼 행동하고, 특이한 양자홀 효과도 보임   - 그라핀에 분자나 금속을 첨가하면 전기적 특성이 변화하며, 최근에는 이 그라핀 층을 만들기 위한 다양한 방법들이 시도되고 있음