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10분 걸렸던 그래핀 10㎠ '3분 완성'…최고속도 경신

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  • 19-07-16 15:42
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한·중 공동연구진 성과…"탄소 가두는 기술로 분당 12㎜ 성장"

그래핀 고속 성장 기술 설명도[IBS 제공. 재판매 및 DB 금지]

(대전=연합뉴스) 이재림 기자 = 한국과 중국 국제 연구진이 그래핀 성장 속도 부분 세계 최고 기록을 학계에 보고했다.

기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소 재료 연구단은 펑 딩 그룹리더(울산과학기술원 특훈교수) 팀이 중국과의 공동 연구를 통해 기존보다 3배 빠른 고속 그래핀 제조 기술을 구현했다고 16일 밝혔다.

그래핀은 탄소 원자 한 층으로 이뤄진 이차원 물질이다. 주원료인 흑연(Graphite·그래파이트) 영문 명칭에서 이름이 유래했다.

상온에서 구리보다 우수한 전기전도도를 가진 데다 강철의 30배 이상 강도를 지녔다. 빛을 대부분 통과시키기 때문에 투명하고, 신축성까지 뛰어나다.

한중 공동연구진은 그래핀 성장 과정에 불소를 국소적으로 주입하는 고속 제작 기술을 개발했다.

이 기술은 그래핀 성장에 일반적으로 쓰이는 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition·CVD)을 기반으로 한다. CVD는 금속 기판 표면에 메탄가스를 주입하며 탄소 원자를 금속 기판에 흡착하는 방식이다.

국소적 불소 주입을 통한 초고속 그래핀 성장 원리[IBS 제공. 재판매 및 DB 금지]

연구진은 금속 기판으로 불소를 함유한 금속 불화물을 도입했다. 그 10∼20㎛ 위에는 얇은 구리 필름을 올렸다.

금속 불화물에서 반출되는 불소를 매우 좁은 공간 안에 머물게 하기 위해서다.

이 미세한 틈 덕분에 그래핀은 탄소를 더 손쉽게 얻을 수 있다고 연구팀은 설명했다.

루 치우 IBS 연구원은 "메탄 분자와 불소가 반응해 생긴 기체는 더 쉽게 분해된다"며 "탄소 공급 속도를 높여서 그래핀을 빠르게 성장시킬 수 있는 것"이라고 설명했다.

해당 기술을 적용한 그래핀은 분당 12㎜ 속도로 성장했다. 기존 최고 속도(분당 3.6㎜) 보다 3배 이상 빠르다.

예컨대 면적 10㎠ 그래핀을 만들 때 기존에 10분이 필요했다면, 이제는 3분 정도에 완성되는 셈이다.

그래핀 성장 시작 2초 뒤(a)보다 5초 뒤 확연히 커진 크기. 주사전자현미경 이미지[IBS 제공. 재판매 및 DB 금지]

다른 2차원 부도체 물질(육방정계 질화붕소)과 반도체 물질(텅스텐 이황화물)에도 기술을 적용했더니 불소가 성장 속도를 빠르게 하는 역할을 했다고 연구팀은 덧붙였다.

펑 딩 그룹리더는 "불소를 국소적으로 주입하는 간단한 방식만으로도 상용화 걸림돌을 제거할 수 있었다"며 "불소 같은 반응성 좋은 물질로 다양한 2차원 물질을 빠르게 합성할 수 있을 것"이라고 말했다.

성과를 담은 논문은 이날 0시 네이처 케미스트리(Nature Chemistry)에 실렸다.

walden@yna.co.kr

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연구진이 개발한 초고속 성장기술의 모식도(IBS 제공) /© 뉴스1
(대전ㆍ충남=뉴스1) 김태진 기자 = 기초과학연구원(IBS·원장 김두철)은 불소로 그래핀을 3배 빠르게 만드는 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

IBS 다차원 탄소재료 연구단(단장 로드니 루오프) 펑딩(Feng Ding) 그룹리더(UNIST 특훈교수)팀은 중국 연구진과 불소(F)를 주입해 기존보다 3배 빠른 속도로 그래핀을 성장시키는 데 성공했다.

원자 두께의 2차원 소재는 얇고 잘 휘면서도 단단해 차세대 반도체 소재로 각광받고 있다. 그러나 상용화가 가능할 정도로 크게 만드는 것이 난제다.

대면적 제작에 성공한 물질 자체가 드문데다 대면적으로 만들어도 제조 시간이 길어 상용화가 어려웠다.

이에 물성이 우수한 2차원 소재를 활용하기 위해서는 제조 시간 단축이 급선무다. 지금까지는 원료물질을 바꾸거나 온도를 조절하는 등 제조 환경 자체를 바꾸는 방법이 시도됐다. 하지만 이 방식으로는 그래핀의 성장을 완전히 제어할 수 없어 근본적인 해결책이 필요한 상황이다.

국소적 불소 주입을 통한 초고속 그래핀 성장 원리(IBS 제공) /© 뉴스1
연구진은 해결책으로 불소에 주목했다.

연구진은 대표적인 2차원 도체 물질인 그래핀 성장에 불소를 적용했다. 일반적으로 그래핀 성장에는 화학기상증착법(CVD)이 쓰인다. 이는 금속기판 표면에 메탄가스(CH4)를 주입하며, 메탄 속 탄소(C) 원자가 금속기판에 흡착하는 식으로 그래핀을 형성하는 방식이다.

연구진은 금속기판으로 불소를 함유한 금속불화물(MF2)을 사용하고, 이 위에 얇은 구리(Cu) 필름을 올린 형태의 기판을 제작했다. 이후 온도를 높여 불소가 금속불화물로부터 방출되게 했다.

불소는 금속불화물과 구리 필름 사이의 10~20㎛(마이크로미터‧1㎛는 100만 분의 1m)의 매우 좁은 공간에서만 머물게 된다. 불소가 다른 물질과 반응하지 않도록 일종의 장벽을 세워 가둔 것이다. 이 틈 속에서 불소로 인해 메탄가스는 더 분해가 쉬운 형태의 기체(CH3F, CH2F2)로 바뀌고, 최종적으로 그래핀은 더 손쉽게 원료인 탄소를 얻어 더 빠르게 성장할 수 있다.

이 기술은 그래핀을 분당 12㎜의 속도로 빠르게 성장시켰다. 이는 지금까지 보고된 그래핀 성장 최고 속도였던 분당 3.6㎜ 보다 3배 이상 빠른 속도다.

연구진은 이 기술을 대표적인 2차원 부도체 물질인 육방정계 질화붕소(h-BN)와 반도체 물질인 텅스텐이황화물(WS2) 성장에 적용한 결과, 그래핀과 같이 주입된 불소가 성장 속도를 크게 줄일 수 있는 것을 확인했다.

펑 딩 IBS 다차원 탄소재료 연구단 그룹리더 /© 뉴스1
펑딩 그룹리더는 “2차원 물질의 성장 과정에서 불소를 국소적으로 주입하는 간단한 방식으로 상용화의 걸림돌이 되던 성장 속도 문제를 해결했다”며 “불소와 같은 반응성이 좋은 물질들로 다양한 2차원 물질을 더 향상된 속도로 합성할 수 있을 것”이라고 말했다.

연구 결과는 세계적인 학술지인 ‘네이처 케미스트리(Nature Chemistry)’에 16일 오전 0시(한국시간) 게재됐다.

memory444444@news1.kr

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