새로운 물성을 가지는 흑연(AA’) 구조체 개발

새로운 물성을 가지는 흑연(AA’) 구조체 개발

 

연구팀광전소재연구단

 

 

 

새로운 물성을 가지는 흑연(AA’) 구조체 개발
   - 모방이 익숙한 기초연구분야에서 창조적인 연구결과
   - 탄소재료 역사 100년을 움직일 탄소연금술 초석 마련
흑연은 그래핀*의 적층체이다. 탄소재료 역사상, 흑연은 그래핀이 ABAB..규칙으로 겹쳐진(그림 1. 참고) AB 적층구조인 AB 흑연이 유일한 결정 구조로 알려졌었다. 최근 국내 연구진이 강철같이 강하고, 종이처럼 가벼운 탄소소재를 만들 수 있는 AA’규칙을 가지며 적층된 새로운 흑연 구조체를 개발했다.
*그래핀 (graphene) : 탄소원자의 이차원 구조체이며(두께 0.4 nm), 흑연의 기본 구성 단위.
한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전소재연구단 이재갑 박사팀은 기초과학지원연구원 김진규 박사팀, 표준과학연구원 김용일 박사팀, 영남대학교 민봉기 박사팀, 연세대학교 이우영 교수팀, 영국 Heriot-Watt대 Phillip John 교수팀과의 공동연구로 새로운 물성을 가지는 흑연 구조체인 AA’흑연을 보고했다. (AA’ (한글명 : 에이에이 프라임))

공동연구팀은 나노크기의 그래핀 분말을 원료로 사용하여 이를 적정 조건에서 열처리 또는 플라즈마 처리시켜 그래핀 나노분말이 AA’ 흑연으로 재결정화 됨(그림 2. 참고)을 X-ray분석, 고해상투과전자현미경(HRTEM)(그림 3, 4. 참고), 시뮬레이션 및 에너지 계산으로 규명했다.
AA’ 흑연은, 기존에 알려진 AB 흑연보다는 조금 불안정하지만, AA’ 2층 그래핀** 핵의 방향성 성장으로 1차원 형태(나노 끈)로 나타난다. 이 흑연 나노 끈은 단결정이어서 강하고 유연해 이를 기초소재로 활용한다면 강철같이 강하고 종이처럼 가벼운 고탄성 탄소구조체를 설계·제조할 수 있을 것으로 전망된다. 
**AA’ 2층 그래핀 : AA’ 규칙으로 적층된 두 층의 그래핀.

또한, AA’ 흑연은, 도체인 AB 흑연과 달리, 반도체***(밴드갭 0.35 eV; 실리콘은 1.1 eV)특성을 가져 새로운 광/전자소자로 널리 응용될 것으로 기대된다.
***반도체 : 순수상태에서는 부도체이나 빛이나 열을 받으면 일시적으로 전기가 통하는 물질.

KIST 이재갑 박사는 “모방이 익숙한 기초연구분야에서 창조를 말할 수 있는 의미있는 결과”라고 말하면서, “새로운 물성을 갖는 흑연 구조체를 제조할 수 있는 탄소연금술의 초석을 마련했다.”고 밝혔다.

본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 지원으로 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 연구결과는 세계적 우수 과학저널인 ‘Scientific Reports’에 12월 21일(수) 온라인 게재되었다.
* (논문명) The Nature of metastable AA’ graphite: Low Dimensional                  Nano-and Single-Crystalline Forms (Scientific Reports).
  - Paper Acceptance: DOI: 10.1038/srep39624
  - 제1 및 교신 저자: 한국과학기술연구원 이재갑 박사
 
[붙임] 연구결과 개요, 용어 설명, 그림 설명, 연구진 이력사항

연 구 결 과  개 요

화학적으로 안정하고 층상 구조의 특징을 갖는 흑연(Graphite)은 이차전지 전극소재 등 여러 산업분야에서 기초 화학(탄소)소재로 사용되고 있다. 그래핀 적층체인 흑연은 그래핀의 적층 규칙에 따라 결정구조가 정해진다. 탄소재료 역사상, 그래핀의 AB 적층(ABAB..규칙)이 유일한 흑연의 결정구조로 알려졌다.
KIST 이재갑 박사팀 주도한 국제공동연구팀은 그래핀이 AA’AA’.. 규칙을 가지며 적층된 흑연, 즉, AA’ 흑연을 보고했다(AA’은 이재갑 박사가 명명했음). AA’ 흑연은 AB 흑연에 비해 1.1 meV 정도 불안정하지만 (그림 5a), 단결정성의 (그림 4) 1 차원 구조(나노 끈)로 나타나고 (그림 2), 시뮬레이션 결과 반도체 성질(밴드갭 0.35 eV)을 보이는 것으로 나타났다(그림 5c). AB 흑연은 통상 불규칙한 마이크론 크기 입자로 존재하며 도체 성질(그림 4d)을 갖는다.
이 결과는 상대적으로 취약한 국내 기초연구의 의미 있는 성과라 할 수 있다. AB 흑연의 구조는, 1924년 Bernal에 의해 밝혀졌고(이에 Bernal graphite라 불림), 재료공학계열 필수 교재인 재료과학책에 자세히 소개되어 있을 정도로 기초학문 영역이다. 향후 교재에 AA’ 구조가 보완될 것으로 예상되며, AA’흑연은 논문 및 교재 등에서 Lee graphite (Lee 흑연)로도 불릴 것이다.
또한, 본 연구의 결과물이기도 한 ‘1차원 AA’ 흑연’의 제조 원리를 확장하면 강철 같이 강하고 종이처럼 가벼운 흑연 구조체(강하고 질긴 나노 끈이 치밀하게 형성된)를 제조할 수 있어, 본 연구는 기초연구를 통해 21세기 탄소연금술의 초석을 마련했다고 할 수 있다. 또한, AA’ 흑연의 반도체 특성은 새로운 반도체물질을 제안하는 것이다.

용 어 설 명

□ 흑연(Graphite):
흑연은, 탄소원자의 이차원 구조체인, 그래핀의 적층체를 말한다. 그래핀의 적층 규칙에 따라 종류가 결정되는데 (그림 1), 그래핀의 적층 규칙이 ABAB..인 것을 AB 흑연, AAAA..인 것을 AA 흑연이라 불리며, AA 적층은 에너지적으로 불안정하여 자연에 존재하지 못한다. 따라서, 통상 ‘흑연’이라 하면 ‘AB 흑연’으로 통용되어왔다.
흑연은 마이크론 입자형태 (AB 흑연) 또는 나선형으로 나타나는데, AA’ 흑연이 나선형으로 자란 탄소구조체가 다중벽탄소나노튜브(MWNT)(굵기 ~50 nm, 길이 수 ㎛)이다. 이 다중벽탄소나노튜브 구조 (튜브가 아니라 나선구조임) 역시 2013년 이재갑 박사 연구팀이 밝혔다 (Structure of multi-wall carbon nanotubes: AA’ stacked graphene helices, Applied Physics Letters, 2013년).
한편, 그래핀의 적층 규칙이 불규칙한 구조체를 터보스트래틱 흑연으로 알려졌는데, AA’ 흑연이 터보스트래틱 흑연으로 잘못 해석되어 왔음을 본 논문에 설명되어 있다. 터보스트래틱 흑연은 AA 흑연처럼 에너지적으로 불안정하여 자연에서 존재할 수 없고 합성할 수도 없다. 단, 단층 그래핀의 적층시는 존재할 수는 있으며, Moiré 패턴으로 확인할 수 있다.

그림 설명

<그림 1> AA‘ 흑연 (a) 및 AB 흑연(b)의 구조도(정방정계). a’, a“ 및 b’, b“은 각각 AA’ 흑연 및 AB 흑연의 시뮬레이션 투과전자현미경 조직 및 이의 패턴을 나타낸 것임. 이 분석으로 구조를 확인 할 수 있음. AB 흑연은 육방정계 구조이나 본 연구에서는 비교를 위해 AA’의 정방정계로 나타내었음.

<그림 2> AA‘ 흑연의 성장 모식도. AA’ 흑연은, 그래핀 나노분말(좌)의 열처리 또는 플라즈마 처리를 할 경우, AA’ 이중 그래핀 (Bi-layer graphene) 핵의 방향성 성장으로 1차원 ‘나노 끈’구조의 형태(우)로 나타난다. AA’ 흑연은 AA’AA’ 순 적층을 갖는다.

<그림 3> AA‘ 흑연의 고해상도 투과전자현미경 사진. 그림 1에 나타낸 시뮬레이션 조직(e’, f’)이 나타나는 것으로부터 AA’ 흑연임을 확인할 수 있음.

 
<그림 4> 본 연구에서 합성된 단결정 AA‘ 흑연의 고해상도 투과전자현미경 사진 (a-c) 및 분석 자료. a’, c‘, c“패턴은 이 시료가 AA’ 흑연임을 확인해 줌. Raman 자료(d)로부터 합성된 AA’ 흑연이 고결정성임을 알 수 있음.

<그림 5> AA’ 및 AB 흑연의 에너지 상태(a), 전자밴드구조(b-d) 및 등위전하분포도 (e-g). AA’ 흑연은 AB보다 불안정하지만 자연에서 존재할 수 있음을 알 수 있고(a), 약 0.35 eV의 밴드갭(c)을 가짐 (AB 흑연은 밴드갭 없음(d)).

이재갑 박사 이력사항

1. 인적사항
 ○ 성 명 : 이 재 갑
 ○ 소 속 : 한국과학기술연구원(KIST)
            광전소재연구단 (책임연구원)
 

 
2. 경력사항 
○ 1990. 8 ~ 현재   한국과학기술연구원
○ 2015. 8 ~ 현재   Scientific Reports 편집위원

3. 전문분야
○ 탄소재료(다이아몬드, 흑연, 탄소나노튜브, 그래핀)의 합성 및 구조해석
 - 2014년 단일벽탄소나노튜브(SWNT)가 튜브구조가 아니라 나선구조임을
   밝힘(Small지 발표)
 - 2014년 그래핀의 시드성장 기술 개발 (Scientific Reports지 발표)