완벽한 '그래핀', 한국이 세계 최초 대면적 제작 성공

강철 200배 강도, 구리 100배 전기전도성, 다이아몬드와 비슷한 열전도성
고성능 직접 회로 등 전자-전기-기계 분야에서 소재 혁명 기대되는 물질
최고 성능 가진 완벽한 단결정 구조의 그래핀 대량 생산 가능성 확인이 큰 성과

[아시아경제 김봉수 기자] 국내 연구진이 세계 최초로 '그래핀'을 완벽한 구조의 대면적으로 제작하는 데 성공했다. 그래핀은 차세대 소재로 주목받고 있는 메타물질(자연에 없던 성질을 지니도록 인간이 만들어낸 물질)로, 강도가 매우 높고 열·전기 전도성도 아주 빨라 대량 생산될 경우 고성능 직접 회로 등 전자·기계 분야에서 '소재 혁명'을 일으킬 것으로 기대되는 물질이다.

기초과학연구원(IBS)은 로드니 루오프 다차원 탄소재료 연구단장 연구팀이 접힘과 적층이 없는 완벽한 단결정 그래핀을 대면적으로 제작하는데 세계 최초로 성공했다고 25일 밝혔다. 이번 연구 결과는 최고 권위 국제학술지 네이처(Nature, IF 49.962)에 26일 게재됐다.

그래핀은 탄소 원자들이 벌집처럼 육각형으로 나열된 2차원 물질이다. 얇고 투명하며 신축성도 뛰어나지만 강철보다 200배 이상 강하고, 구리보다 100배 이상 전자의 이동성이 빠르며, 다이아몬드와 유사하게 열전도성이 높아 탁월한 물성으로 주목받아 왔다.

그러나 현재까지 연구된 결과로는 여러 층의 그래핀이 겹쳐진 ‘적층 구역’이나 주름진 ‘접힘 부분’이 존재했고 그러한 적층이나 접힘은 그래핀의 기계적·전기적 물성을 떨어뜨렸다. 연구팀도 2019년 적층없는 그래핀을 제작하긴 했지만 접힘 문제는 해결하지 못한 바 있다. 그래핀 제작에 기판으로 사용되는 시판 구리 호일에 함유된 탄소 불순물로 인해 그래핀에 적층이 생김을 규명하고, 적층 구역이 없는 대면적 그래핀 제작에 성공했었다. 당시 연구 결과도 국제 학술지 '어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)'에 실렸었다.

연구팀은 이번 연구에선 그래핀의 성장 후 냉각 과정에서 접힘이 발생한다는 점에 착안해 접힘이 일어나는 온도를 조사했고 그 결과 ‘무결점 그래핀’ 제작에 성공했다. 통상 그래핀은 1320K(1046.85℃) 이상의 고온에서 합성된 후 실온까지 냉각하는데, 1030K(756.85℃) 이상의 온도에서 접힘이 형성된다는 사실이 확인됐다. 이에 접힘이 발생하지 않도록 1030K(756.85℃) 이하의 저온에서 그래핀을 성장시켜본 결과, 냉각과정을 거쳐도 접힘 및 적층이 없는 완벽한 ‘무결점 그래핀’을 합성할 수 있었다.

이번 연구 결과를 활용하면 접힘과 적층 없는 대면적의 완벽한 단결정 그래핀을 만들어 소재의 위치나 방향과 무관하게 항상 같은 효율을 내는 고성능 집적 회로를 만드는 것이 가능하다. 무결점 그래핀의 전하 이동도는 6~8000㎠/Vs로 실리콘에 비해 7배, 기존 그래핀에 비해 약 3배 높았다. 전하이동도가 높을수록 더 적은 전력으로도 높은 성능을 낼 수 있음을 의미한다. 대량 생산의 가능성도 입증했다. 구리-니켈(Cu-Ni(111)) 호일을 기판으로 사용해 4×7㎠ 크기의 무결점 그래핀 5장을 동시에 제조하는 데도 성공했다. 또 호일을 5번 재사용해도 중량 손실이 0.0001g에 불과해 호일을 무한정 재사용할 수 있다는 것도 장점이다.

연구팀은 "‘무결점 그래핀’을 다른 2차원 재료와 함께 적층해 사용한다면 지금까지 개발되지 않았던 놀라운 성능을 보이는 소자를 개발할 수 있다"면서 "전자, 광자, 기계와 같은 다양한 분야에서 우수한 성능의 그래핀을 활용할 수 있는 길을 연 것"이라고 설명했다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr