그래핀의 컨트롤 가능 제조에서 거둔 성과

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-14

최근 들어 그래핀(graphene)은 신규 탄소 소재로 각광을 받고 있으며 자체의 독특한 특성으로 인해 많은 사람들의 관심과 흥미를 자아내고 있다. 이에 따라 그래핀의 컨트롤 가능 제조(controllable preparation)를 실현하는 것이 그래핀 기초 연구와 응용 개발의 전제가 되며 시급히 해결해야 할 중대한 과제로 급부상하고 있다. 현재 여러 가지 그래핀의 제조에서 화학 증착(chemical vapor deposition, CVD) 공법이 고품질 및 대량 제조에서의 장점을 가지고 있는 것으로 입증되어 그래핀 생장의 중요한 방법으로 활용되고 있다. 최근 중국 과학원 화학연구소 유기고체중점실험실 및 베이징(北京)대학, 베이징(北京)사범대학, 칭화(清华)대학의 관련 연구팀은 CVD 공법을 이용하여 고품질 그랜핀의 컨트롤 가능 제조 분야에서 중요한 진전을 이뤄냈다. 관련 연구성과는 “Adv. Mater. 및 Adv. Funct. Mater”에 발표되었다. 계층 구조(Hierarchy structure) 그래핀의 적층 생장(Laminated growth) 연구에서 CVD 공법이 채용되었다. 연구팀은 액체 상태의 동을 촉매제로, 메탄을 탄소원으로 이용, Ar와 H2 유속의 비례를 컨트롤하는 방법을 통해 3차원 구조를 갖춘 시리즈 그래핀 복합체를 획득하는데 성공했다. 그래핀 복합체는 고도의 6중 대칭성 및 확실한 계층 적층 구조를 가지고 있다. 본 연구에서 연구팀은 최초로 그래핀의 3차원 생장과 형태 모양 제어, 그리고 비(非)평형 체계에서의 동력학 제어를 유기적으로 결합시켰다. 이런 방법은 기타 2차원 원자 결정 소재에도 보급 가능할 것으로 예상된다. 이 외에도 계층 구조의 그래핀 복합체는 이방성(Anisotropy) 전기학 성능를 보유하고 있다. 관련 연구 성과는 “선진 소재(Adv. Mater. 2014, 26, 3218.)”에 게재되었으며 표지 뒷면(그림1 오른쪽)에 소개되었다. 단결정 그래핀 배열의 제조에서 연구팀은 CVD 공법을 채용했다. CH4와 H2 유속의 비례 컨트롤을 통해 대면적 6각 단결정 그래핀 배열의 제어 가능한 제조를 실현했다(그림2 왼쪽). 이는 단결정 그래핀 배열의 밀도와 사이즈를 효과적으로 제어할 수 있어 생장 조건을 최적화할 수 있다. 이런 현상은 고온 환경에서 액체 동 촉매제의 표면 유동성과 밀접한 관계가 있는 것으로 나타났다. 이 외에도 단결정 그래핀의 전계효과 트랜지스터(Field effect transistor device)에서 양호한 전기학 성능이 나타났다. 이는 그래핀의 대규모 응용에 튼튼한 기초가 될 것으로 기대된다. 그리고 대면적 자체 조립 배열의 단결정 그래핀 배열은 대규모화 및 고품질 그래핀 제조의 발전을 촉진할 것으로 보여 향후 그래핀 소재가 관련 부품 제조에서 중요한 역할을 할 것으로 전망된다. 관련 연구성과는 “선진 기능 소재(Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 1664.)”에 게재되었으며 표지(그림2 오른쪽)에 소개되었다. 단결정 12각 그래핀의 제어 가능한 생장 연구에서도 CVD 공법이 채용되었다. 연구팀은 최초로 12각 그래핀의 제어 가능한 생장(그림3 왼쪽)을 실현했다. 이를 통해 연구팀은 이런 유형의 그래핀 단층 단결정 특징을 입증했다. 12각 그래핀이 액체 상태 동촉매 환경에서 생장하는 메커니즘에 관하여, 연구팀은 실험 결과를 통해 경계(Boundary) 확산 제어의 생장 모델을 제출했다. 세밀한 분석 결과에 따르면, 12각 그래핀의 경계 모양에서는 톱니 모양과 안락의자(Armchair) 모양이 교차적 배열로 형성되었다. 이런 특수한 경계 구조는 그래핀의 자체 스핀을 심층 연구하는데 유리하다. 뿐만 아니라 그래핀의 생장 메커니즘, 그래핀의 전기학과 자기장 성능에 대한 심층 연구에도 도움이 될 것으로 예상된다. 관련 연구성과는 “선진 소재(Adv. Mater. 2014, 26, 6423)”에 게재되었으며 표지 내면에 소개되었다(그림3 오른쪽). 그림1: 계층 구조 그래핀의 적층 생장(왼쪽), “선진 소재” 표지 뒷면(오른쪽). 그림2: 대면적 자체 조립의 단결정 그래핀 배열(왼쪽), “선지 기능 소재” 표지(오른쪽). 그림3: 단결정 12각 그래핀(왼쪽), “선진소재” 표지 뒷면(오른쪽). KISTI-15-0112-1-11.jpg KISTI-15-0112-1-2.jpg KISTI-15-0112-1-3.jpg http://www.cas.cn/syky/201501/t20150109_4296244.shtml