차세대 꿈의 소재로 불리는 그래핀의 휘어지는 전자소자 응용과 상용화 개발의 걸림돌로 작용해온 표면 구조 비밀이 국내 연구진에 의해 세계 최초로 밝혀졌다.
건국대는 "WCU(세계수준연구중심대학)사업의 지원을 받는 물리학부 박배호 교수와 최진식, 김진수 연구원(박사과정)팀, KAIST 박정영 교수팀이 그동안 개념상으로만 알려졌던 그래핀의 미세한 주름 구조와 도메인 구조, 구조들의 생성원리 및 열처리 공정을 통한 주름구조 제어 가능성을 최초로 규명했다"고 1일 밝혔다.
이번 연구결과는 세계적 과학저널인 <사이언스(Science)>誌에 게재될 예정이며 이에 앞서 <사이언스>의 온라인 속보인 <사이언스 익스프레스(Science Express)>에 7월 1일자(한국시간)로 소개됐다.
건국대에 따르면 이번 연구결과는 그래핀의 휘어지는 전자소자 등의 응용가능성을 한 단계 확장시켰다는 평가를 받고 있다. 그래핀은 흑연의 표면층을 가장 얇게 한겹 떼어낸 2차원 탄소나노구조체다. 실리콘이나 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고 강도도 강철보다 200배 이상 강하다. 열전도성과 신축성이 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기전도성이 유지된다. 이에 따라 현행 실리콘 반도체를 대체할 차세대 전자 소자와 휘어지는 디스플레이, 입는 컴퓨터 등에 활용할 수 있는 '차세대 꿈의 신소재'로 부각되고 있다.
그러나 이론적으로 예측됐던 뛰어난 그래핀 특성들이 지금까지 완벽하게 구현되지 못했다. 그 원인 중 하나로 그래핀의 주름구조가 의심돼 왔으며 이번에 국내 연구팀이 주름구조의 원인과 형태를 규명하고 이를 제거하는 방법을 찾아내는 데 성공했다. 주름구조는 그래핀의 전기적, 자기적 특성에 영향을 미쳐 그래핀으로 만든 소자의 성능을 저해할 수 있기 때문에 주름 구조의 생성 원인과 구조를 규명하고 이를 제어하는 방법을 찾는 것은 그동안 과학계에서 그래핀의 상용화를 위해 매우 중요한 연구 과제였다.
연구진은 기계적 박리법을 이용, 제작한 그래핀 박막을 원자힘 현미경을 이용해 측정한 결과 물리적으로 똑같은 특성을 지닌 단일층 그래핀 내에서 마찰력이 현저히 다른 구역(비등방성 마찰력 도메인)이 존재하는 것을 발견했다. 또한 연구진은 마찰력의 차이가 발생하는 원인을 밝히는 과정에서 그래핀에 잔주름의 방향이 다른 구역(domain, 도메인)이 존재함을 밝혔다. 그리고 적절한 열처리 공정을 이용하면 이런 구역구분이 없어지며 전체가 일정한 마찰력을 보이도록 재구성할 수 있음을 보였다.
건국대 박배호 교수는 "이번 연구는 주름구역의 존재를 최초로 확인했다는 점과 주름구조의 제어 가능성 보임으로써 휘어지는 전자소자 등의 응용가능성을 한 단계 확장시켰다는 데 의의가 있다"면서 "향후 활발한 후속연구를 기대한다"고 말했다.
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