그래핀은 몇 개의 단층 그래핀이 어떤 구조로 겹쳐 있는 지에 따라 성질이 크게 달라진다.

기초과학연구원(IBS) 로드니 루오프 다차원 탄소재료 연구단장(UNIST 특훈교수)이 이끄는 공동연구팀은 그래핀의 층수 및 적층순서를 제어할 수 있는 구리/니켈 금속기판을 설계하고, 이를 토대로 반도체의 특성을 가진 단결정 다층 그래핀을 합성했다.

흑연의 원자 한 층인 그래핀은 우수한 전기전도도와 신축성을 갖춘 것은 물론 투명해 전자소자로 높은 응용가능성을 지닌 소재다. 이러한 그래핀이 가진 한계점 중 하나는 전류의 흐름을 제어할 수 있는 성질인 ‘밴드갭(Band Gap)’이 없다는 점이다. 밴드갭이 없으면 전자소자의 전원을 켜고(on) 끌(off) 수 없기 때문에 응용이 제한적이다.

AB 적층구조의 이중층 그래핀은 이런 그래핀의 단점을 극복할 소재로 주목 받는다. AB 적층 그래핀은 상층 그래핀(A패턴)의 탄소 원자 중 절반이 하층 그래핀 육각형의 중심에 위치한(B패턴) A패턴과 B패턴이 반복되는 구조로 특정 조건에서 밴드갭을 가질 수 있는 것으로 알려져 있다. 하지만 현재 기술로는 그래핀의 적층 층수 및 순서를 제어하기 어렵고 면적도 수㎜ 수준으로 작아 실제 상용 소자와는 거리가 있었다.

연구진은 그래핀의 층수 및 적층순서를 제어하기 위해 새로운 단결정 합금 기판을 설계했다. 우선, 탄소용해도가 낮은 기존 구리 기판은 단층의 그래핀을 성장시킬 수밖에 없다는 점에 착안해 구리보다 높은 탄소용해도를 가진 니켈에 주목했다.

연구진은 단결정 구리(111) 포일에 니켈을 전기도금하고, 1050℃의 온도에서 열처리를 진행해 구리와 니켈을 모두 포함하는 단결정 합금 포일을 제조했다. 이후 니켈의 함량을 증가시켜가며 합성되는 그래핀의 형태를 분석했다. 니켈의 함량이 10% 미만일 때는 단층 그래핀이 합성되지만, 그 이상에서는 다층의 그래핀이 형성됨을 확인했다. 특히, 니켈의 함량이 16.6%일 경우에는 AB 적층구조를 갖는 이중층 그래핀이 균일하게 형성됐다.

이종훈 IBS 다차원 탄소재료 연구단 그룹리더(UNIST 교수) 연구팀은 성장된 AB 이중층 및 ABA 삼중층 그래핀의 결정 구조를 투과전자현미경(TEM)으로 분석한 결과 성장된 그래핀이 소재 전체에 걸쳐 원자가 규칙적으로 배열된 단결정 형태임을 확인했다.

주사전자현미경을 통한 다층 그래핀 에칭의 실시간 관찰 결과.
연구진은 AB 다층 그래핀의 상층에서 하부 층의 그래핀이 성장한다는 메커니즘도 규명했다. 다층 그래핀은 (i)와 같이 거꾸로 된 웨딩케이크의 구조를 이룬다.

1저자인 밍 후왕 연구위원은 “크기 2㎠ 합금포일 기판의 95%에 해당하는 면적에서 AB적층 이중층 그래핀을, 60%의 면적에서 ABA 삼중층 그래핀을 성장시킬 수 있었다”며 “다층 그래핀의 각 층은 상부 층의 아래에서 자라며 거꾸로 놓인 웨딩케이크 모양처럼 합성된다는 성장 메커니즘도 규명했다”고 설명했다.

이렇게 합성된 대면적 이중층 그래핀은 약 2300W/mK(와트퍼미터켈빈)의 열전도도와 478GPa의 강성도 등 우수한 성능을 나타냈다. 유원종 성균관대 교수팀은 그래핀의 전기적 특성을 측정한 결과, 합성된 그래핀이 전기장에 따라 저항 값이 변한다는 것을 관찰했다. 전기장을 가해 그래핀의 밴드갭을 변화시킬 수 있다는 것으로 전자소자로 사용할 수 있는 가능성을 확인했다는 의미다.

로드니 루오프 단장은 “이번 연구에서 합성한 단결정 구리/니켈 합금 포일은 새로운 탄소재료를 합성하기 위한 유용한 도구가 될 것”이라며 “기존 실리콘 등의 반도체 소자와는 달리 적외선 영역의 파장을 흡수할 수 있어 새로운 형태의 나노광전자소자로 응용될 수 있다”고 설명했다.

연구결과는 재료분야 권위 있는 국제학술지인 Nature Nanotechnology(IF 33.407) 1월 21일자에 게재됐다.

* 논문명 : Large area single crystal AB-bilayer and ABA-trilayer graphene grown on Cu/Ni(111) foil

*용어설명

밴드갭(Band Gap): 물질 속 전자들이 모여 있는 부분과 전자들이 전혀 없는 부분 사이 일종의 장벽으로, 이 공간을 자유전자들이 돌아다니면서 전기를 통하게 한다. 밴드갭이 작을수록 전기가 잘 통하며(도체) 멀수록 전기가 통하지 않는다(부도체).

탄소용해도: 탄소원자가 다른 물질에 용해될 수 있는 최대 양. 구리의 경우 최대 0.04, 니켈의 경우 최대 2.7 원자 퍼센트의 탄소를 용해시킬 수 있다.

구리(111) 포일 : 구리(111) 결정면의 표면은 그래핀과 유사한 육각형 벌집모양의 원자배열을 가지고 있다. 이 때문에 구리(111) 단결정 위에서는 원자의 배열이 균일한 단결정 그리핀을 형성할 수 있다. 다차원 탄소재료 연구단 연구진은 2018년 사이언스(Science)에 게재한 논문에서 단결정 구리(111) 포일을 대면적으로 합성할 수 있는 기술을 개발했다고 보고한 바 있다.