UNST(울산과학기술원)는 신소재공학과 펑 딩(Feng Ding)·이종훈 교수 연구팀(이상 IBS 다차원탄소재료 연구단)이 나선 은하 모양으로 합성된 그래핀 흡착층을 최초로 발견, 이를 새로운 이론으로 규명했다고 28일 밝혔다.

흡착층(adlayer)은 원래 그래핀 층 아래에 덧대어 생기는 또 다른 그래핀 층을 말한다. 이번 연구는 용도에 맞게 그래핀 층수를 조절할 수 있는 합성법 개발에 단서가 될 전망이다.

그래핀은 탄소 원자 한 개 두께의 2차원 물질로 알려져 있다. 하지만 실제 합성된 그래핀은 탄소 원자가 여러 층으로 쌓인 형태가 많다. 층수에 따라 특성도 다르다. 두 겹 그래핀으로는 끄고 켤 수 있는 반도체 소자를 만들 수 있지만 한 겹은 불가능하다. 대신 전하이동도가 두 겹 그래핀보다 뛰어나다. 용도에 맞게 그래핀을 층수별로 합성할 수 있는 기술 개발이 중요한 이유다.

딩 교수 연구팀은 기존의 확률 기반 모델링(kinetic Monte Carlo simulation) 등을 개량해 그래핀이 나선 형태로 합성될 수 있었던 원인을 분석해 낼 수 있었다. 그래핀은 물론이고 다른 물질에서도 이러한 나선형 구조가 발견된 적이 없어 기존 이론만으로는 이 현상을 설명하는 데 한계가 있었다.

나선형 그래핀은 바로 위층 육각형 그래핀의 가장자리에 모인 고농도 탄소원료를 공급받아 자란다. 이 과정에서 탄소원료 농도가 부족해지면서 나선 모양으로 성장하게 되는 것이다. 탄소원료가 부족하면 아래층 그래핀은 원료를 쉽게 공급받을 수 있는 가장자리만을 따라 부분적으로 성장하고, 이때 위쪽 그래핀도 계속 성장해 나가기 때문에 위쪽 그래핀의 가장자리를 쫓아가다 보면 아래층은 나선 모양이 되는 원리다.

나선형 그래핀이 위층 그래핀보다 작게 합성되며, 나선형 그래핀의 ‘팔’(spiral arm)이 바로 위층 그래핀 가장자리와 항상 맞닿아 있는 특이한 현상을 이 이론으로 설명할 수 있다. 나선의 팔은 나선의 중심에서 거미줄처럼 나온 구조를 말한다.

또 이론 예측 결과대로 그래핀 원료의 농도를 바꿔가며 나선의 팔 개수를 조절하는 데도 성공했다.

펑 딩 교수는 “이번 연구로 흡착층을 이루는 탄소 원료(탄소전구체)가 어디서 오는지도 이론적으로 밝혀져, 원료 공급을 억제 또는 활성화하는 방식으로 그래핀 층수를 조절하는 새로운 합성법 개발에 실마리가 될 것”이라고 설명했다.

한편 이종훈 교수 연구팀은 고분해능 투과전자 현미경(HRTEM) 기술을 활용해 복잡한 나선형 그래핀의 특성을 분석해 낼 수 있었다.

IBS 다차원탄소재료 연구단의 시아오 콩(Xiao Kong) 연구위원이 제1저자로 참여한 이번 연구는 재료 과학 분야의 국제 학술지 ‘어드벤스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’에 3월 24일 자로 출판됐다.

이번 연구수행은 기초과학연구원(IBS)으로부터 지원 받았다.