로드니 루오프 특훈교수 IBS 다차원 탄소재료 연구단장 연구팀은 단결정 구리-니켈 합금 포일을 이용해 단결정 그래핀의 성장 속도를 약 10배 이상 높일 수 있는 기술을 개발하는 데 성공했다. 연구 성과는 에이씨에스 나노에 지난 23일 자 논문으로 게재했다.

촉매인 구리 위에 메탄(CH₄)과 수소(H₂) 혼합 가스를 흘리면 탄소(C)만으로 이뤄진 그래핀이 형성된다. 이때 바탕이 되는 구리의 결정 방향이 다양하므로 그래핀 역시 결정의 방향이 여럿인 다결정 그래핀으로 자라난다. 그러나 다결정 그래핀은 탄소 원자로 이뤄진 결정립들이 서로 어긋나 그래핀의 우수한 전기전자도와 전하이동도 등의 특성이 저하될 수 있다.

연구팀은 그래핀 단일층에서 약 40나노미터(㎚·10억 분의 1m) 넓이의 접힘선을 발견했다. 이들은 대략 20마이크로미터(㎛·100만 분의 1m) 간격으로 서로 평행하게 금속 기판에 있는 줄무늬엔 수직하게 나타났다. 연구팀은 그래핀 성장이 완성되지 않았을 때 듬성듬성 생기는 그래핀 섬들이 서로 결합되는 영역에서 그래핀 접힘선이 형성되는 장면을 고분해능 투자전자현미경을 통해 관찰했다. 이 현상은 열에 대한 그래핀과 금속의 부피 변화량이 달라 나타난다. 금속 기판은 고온에서 팽창하고 냉각 시 크게 줄어들지만 고온에서 늘어난 금속 기판에서 성장한 그래핀은 냉각 시에도 별로 변하지 않기 ?문에 냉각 시 그래핀에 주름지듯 접힘선이 나타나는 것이다.

강정의 기자 justice@ggilbo.com