미세균열 제어를 통한 무결점 그래핀 확보-흑연 표면을 금으로 코팅, 그래핀 박리시 균열의 깊이와 방향 제어
등록일 2020.11.02.
미세균열 제어를 통한 무결점 그래핀 확보
흑연 표면을 금으로 코팅, 그래핀 박리시 균열의 깊이와 방향 제어
□ 국내 연구진이 차세대 전자소재 흑연으로부터 그래핀을 결점 없이 떼어내는 새로운 박리법을 소개했다.
○ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 이재현 교수(아주대학교), 손석균 교수 (목포대학교), 조성호 상무(삼성디스플레이) 공동연구팀(제1저자 문지윤 연구원, 김민수 박사)이 층수가 제어된 대면적 그래핀 박리법을 개발 했다고 밝혔다.
※ 박리법(Exfoliation Method) : 테이프의 접착력을 이용해 흑연으로부터 그래핀을 기계적 으로 분리해 내는 방법
□ 고무처럼 잘 휘어지고 투명한 그래핀. 뛰어난 전기전도성 때문에두루마리처럼 둘둘 마는 TV나 스마트폰 등에 응용될 꿈의 소재로 불려왔다.
○ 하지만 탄소가 벌집모양으로 결합한 단일층의 평면인 그래핀은 10만 층을 쌓아야 머리카락 굵기가 될 정도로 얇다. 탄소가 층층이 결합한 흑연의 표면을 테이프로 반복해서 떼어내 그래핀을 얻었지만, 반복작업과 작업자의 숙련도에 의존, 그래핀의 면적과 층수, 수율을 제어하는 것이 불가능했다.
□ 이에 연구팀은 테이프로 떼어낼 때 생기는 균열의 크기·방향을 원자 수준에서 제어, 원하는 면적과 층수의 그래핀을 얻었다.
○ 흑연 위에 특정 성질의 필름을 증착, 균열의 깊이와 방향을 무작위가 아니라 선택적으로 제어한 것이다.
□ 그래핀 층간 결합력과 비슷한 수준으로 흑연 표면과 결합하는 금(Au)으로 흑연표면을 코팅한 후 테이프로 뜯어내면 균열이 수직 방향(흑연의 아래쪽 방향)이 아닌 표면과 평행한 방향으로 전파되어 단층의 그래핀만 분리된 것이다.
○ 반면 흑연과의 결합력이 금보다 큰 팔라듐, 니켈, 코발트로 코팅 하고 테이프로 떼어낼 경우 최초로 형성되는 균열이 더 깊어져 결과적으로 더 큰 층수의 그래핀이 얻어졌다.
□ 이 방법을 이용하면 수 mm 면적의 단일층부터 이중층, 그리고 최대 40층까지 층수가 제어된 그래핀을 얻을 수 있었다.
○ 기존 박리법 대비 약 4,200배 넓은 면적의 단일층 그래핀을 얻어낸 것이다. 또한, 단위면적당 단일층 그래핀의 밀도가 최대 6,000배 가량 증가할 정도로 높은 수율을 확보하였다.
□ 그래핀의 산업적 응용의 걸림돌 가운데 하나인 무결점 그래핀 확보를 위한 새로운 대안을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
○ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실 사업과 생애 첫 연구 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 10월 28일 게재 되었다.
주요내용 설명
<작성 : 아주대학교 이재현 교수>
논문명
Layer-engineered large-area exfoliation of graphene
저널명
Science Advances
키워드
Graphene (그래핀), Mechanical Exfoliation (기계적 박리), Interfacial binding energy (계면 결합에너지), Crack (균열)
저 자
이재현 교수(교신저자/아주대학교), 손석균 교수(교신저자/아주대학교), 조성호 상무(교신저자/삼성디스플레이), 문지윤 학생 (제1저자/아주대학교), 김민수 박사(제1저자/맨체스터대학교)
1. 연구의 필요성
○ 지난 2004년 영국 맨체스터 대학의 연구팀은 테이프 방법으로 잘 알려진 물리적 박리법(mechanical exfoliation)을 통해 자연 흑연(natural graphite)에서 한 층의 무결점 그래핀을 성공적으로 분리해 내었다. 이후, 박리된 그래핀을 통해 수많은 물리적, 화학적 이론을 실험적으로 증명할 수 있었으며 새로운 응용 소자의 핵심소재로의 발전 가능성을 검증하였다.
○ 물리적 박리를 통해 가장 이상적인 무결점 그래핀을 확보할 수 있으나 박리된 그래핀의 작은 크기, 낮은 수율, 그리고 층수를 제어하는 것이 불가능하였기에 현재까지 그래핀의 양산 및 생산적인 측면에서 가장 불리한 합성법으로 여겨져 왔다.
○ 대면적에서 고품위 그래핀을 확보할 수 있는 대안으로 화학기상증착법과 같은 화학적 접근 방식의 연구가 이루어지고 있으며 최근 국내외 연구진에 의해 단결정 그래핀을 확보하는 데 성공하였다. 하지만 무결점 그래핀이 보여준 물리적/화학적 물성에는 미치지 못한다는 한계가 여전히 존재한다.
○ 이에 이번 연구를 통해 기존 물리적 박리법의 단점을 극복할 방안을 제시, 무결점 그래핀 소재의 생산/활용 가능성을 확인하였다.
2. 연구내용
○ 반데르발스 힘으로 층층이 쌓여있는 구조를 가진 자연 흑연에서 그래핀을 벗겨낼 때 외부 응력에 의해 그래핀 층과 층 사이에 균열이 발생하게 된다. 이때, 균열의 깊이와 방향은 무작위가 아니라 흑연의 층간 결합력과 흑연 위에 증착된 필름이 가진 물리적 성질에 의해 결정된다.
* 반데르발스 힘 (van der Waals force) : 가까운 거리에 있는 전기적으로 중성인 분자들이 서로 끌어당기는 힘
○ 연구팀은 흑연과의 결합력이 흑연의 층간 결합력과 비슷한 금을 준비된 자연 흑연 표면에 필름 형태로 코팅한 후 테이프를 이용하여 뜯어내었다. 이때 발생한 균열이 수직 방향(흑연의 아래쪽 방향)이 아닌 흑연의 표면과 평행한 방향으로 성장해나갔으며 그 결과 단일층의 그래핀만 선택적으로 분리됨을 확인 할 수 있었다.
○ 기존 물리적 박리법과 직접적인 비교를 위해 연구팀은 총 25개의 박리된 단층 그래핀 시편을 확보한 후 기존 박리법을 통해 확보된 단일층 그래핀과 면적과 밀도를 비교 분석하였다. 그 결과, 평균 면적은 약 4,200배 그리고 단위 면적당 그래핀 단일층의 밀도는 최대 6,000배까지 증가함을 확인하였다.
○ 흑연과의 결합력이 금보다 큰 팔라듐, 니켈, 그리고 코발트 필름을 코팅한 후 박리할 경우 흑연과의 결합 에너지가 커짐에 따라 최초 형성되는 균열의 깊이가 깊어지게 되어 최종 박리된 그래핀의 층수가 점차 커지는 것을 관찰하였다.
○ 새로운 박리법을 통해 확보된 그래핀을 육방정계 질화붕소 (h-BN)로 감싼 이차원 이종구조로 제작하여 전기적 물성을 분석하였다. 제작된 그래핀 전자소자는 기존 박리법으로 확보된 그래핀과 유사한 전자 이동도를 보였을 뿐만 아니라 저온에서 양자 홀 효과가 관찰되었다.
* 육방정계질화붕소 (hexagonal boron nitride) : 화이트 그래핀이라 불리며 그래핀과 동일한 결정구조로 되어 있는 대표적 층상 절연 소재
3. 연구성과/기대효과
○ 차세대 전자소재로서 주목받고 있는 그래핀의 활용에서 가장 큰 장애물로 여겨지는 무결점 그래핀 소재의 확보에서 품질과 생산성을 동시에 잡을 수 있는 새로운 방안을 제시하였다.
○ 향후, 본 기술을 다양한 이차원 소재에 적용할 경우 지금껏 구현하기 어려 웠던 대면적 이차원 이종구조의 구현 및 극초박 전자 소자에 적용 가능할 것으로 기대한다.
○ 또한, 규명한 균열 기구를 통해 다층 박막 구조로 제작된 전자소자에서 생기는 필름 박리 문제를 근원적으로 해결할 실마리가 될 것으로 기대된다.
그림 설명
(그림1) 자연흑연에서 단일층의 그래핀을 박리하는 방법 및 크기 및 밀도 결과
(위) 자연흑연위에 금 필름에 의해 자연흑연으로부터 단일층 그래핀만 선택적으로 박리되는 과정 (아래) 기존 박리법으로 확보한 단일층 그래핀의 크기 그리고 금 필름을 이용한 박리법을 통해 확보된 단일층 그래핀의 크기 및 밀도 그래프. 금 필름을 활용할 경우 면적은 약 4,200배 그리고 밀도는 최대 6,000배 증가됨을 알 수 있다.
제공 : 아주대학교 신소재공학과 이재현 교수
(그림2) 계면결합에너지에 따른 균열의 깊이 및 방향
흑연과의 계면결합에너지 (γ)가 흑연층 사이에 존재하는 계면결합에너지와 유사한 금 필름을 코팅할 경우 균열이 수직 방향 (흑연의 아래쪽 방향)이 아닌 흑연의 표면과 평행한 방향으로 성장해나갔으며 그 결과 단일층의 그래핀만 선택적으로 분리된다. 흑연과의 결합력이 금보다 큰 팔라듐, 니켈, 그리고 코발트 필름을 코팅한 경우, 흑연과의 계면결합에너지가 커짐에 따라 최초 형성되는 균열의 깊이가 깊어지게 되어 최종 박리된 그래핀의 층수가 점차 커지는 것을 관찰할 수 있다.
제공 : 아주대학교 신소재공학과 이재현 교수
연구 이야기
<작성 : 아주대학교 이재현 교수>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
“필요는 발명의 어머니”라는 말을 좋아합니다. 다양한 이차원 이종접합구조를 제작하기 위해 그래핀을 박리하는 과정에서 발생한 불편함이 연구의 계기가 되었습니다. 일반적으로 테이프를 이용하여 박리한 그래핀은 그 크기가 수 마이크로미터에 불과하여 활용에 어려움이 있습니다. 흑연 결정은 눈에 볼 수 있을 정도인데 박리한 그래핀은 왜 크기가 작아지는지에 대한 의문이 연구의 계기가 되었습니다. 흑연 결정의 크기와 비슷한 그래핀을 박리할 수 있을지, 그것이 가능하다면 층수를 제어하며 박리하는 것 또한 가능할지에 대해 논문의 제 1저자인 문지윤 학생과 이야기하며 연구가 시작되었습니다.
□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
그래핀과 그 위를 덮고 있는 금속필름 사이의 계면에서 두 소재간의 상호작용을 이용하는 것이 이번 연구의 핵심입니다. 계면의 상호 작용은 다양한 변수에 의해 영향을 받습니다. 특히, 주변 환경의 습도, 대기 중 이물질 농도는 실험 결과에 지대한 영향을 끼치기 때문에 항상 비슷한 수준으로 유지해야 합니다. 연구 초기에는 이러한 변수의 영향을 인지하지 못해 결과를 얻는데 어려움이 존재했습니다. 하지만 연구가 진행되면서 그래핀/금속 사이의 상호작용이 중요하다는 사실을 알게 되었고, 실험 환경을 일정하게 제어하는 것을 통해 어려움을 극복하였습니다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
기존의 테이프 박리법은 박리되는 그래핀의 품질은 우수하지만 크기가 매우 작고, 층수를 제어할 수 없다는 단점을 가집니다. 따라서 박리법은 오로지 연구에만 적합하다고 여겨지고 있었습니다.
저희 연구팀은 이번 연구 성과에서 금속 필름을 이용한 박리법을 고안하여 이러한 문제점을 해결하여 기존 테이프 박리법 대비 4,200배 이상 커진 무결점 그래핀을 얻는데 성공했습니다. 또한 흑연위에 증착된 금속 필름의 종류를 변경하여 손쉽게 그래핀의 층수를 제어하였습니다. 기존의 박리법의 장점은 취하고 단점은 해결한 새로운 박리법을 최초로 고안한 것이 이번 연구의 가장 큰 의의입니다.
□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?
최근 그래핀 뿐만 아니라 다양한 2차원 소재의 응용연구가 다방면에서 활발하게 진행되고 있습니다. 이러한 연구가 진행되기 위해서는 고품질·대면적 2차원 소재 확보가 뒷받침 되어야 합니다. 따라서 이번 연구 성과를 그래핀 뿐만 아니라 다양한 2차원 소재에 적용 가능한 기술로 확장하여 2차원 소재 응용 연구 전반에 이바지하고 싶습니다.