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흑연에서 그래핀을 물리적으로 떼어내는 방법으로 수 밀리미터 크기의 대면적 그래핀을 얻을 수 있는 새로운 방법이 소개됐음.

한국연구재단은 아주대-목포대-삼성디스플레이 공동연구팀이 흑연 표면에 금을 코팅하는 방법으로 기존의 박리법에 비해 수 천 배 넓은 면적의 그래핀을 얻는 데 성공했다고 밝혔음.

기존의 그래핀 박리법은 마이크로미터 단위의 그래핀을 얻는 데 그쳐 실험실용으로 취급됐고, 상업적인 이용을 위해서는 화학기상증착법과 같은 화학적 방식으로 양산기술 개발이 주로 이루어져 왔음. 하지만 화학적 방식으로는 아직 물리적 방식으로 얻은 그래핀에 비해 물성이 떨어짐. 이번 연구는 물리적 방법으로도 그래핀을 대면적으로 확보할 수 있는 가능성을 보여준 것으로 평가됨.

연구팀은 흑연 표면에서 그래핀을 떼어낼 때 생기는 균열의 크기·방향을 원자 수준에서 제어할 수 있는 방법을 찾아내 원하는 면적과 층수의 그래핀을 얻는 데 성공했음.

비결은 흑연 위에 특정 성질의 필름을 증착해 균열의 깊이와 방향을 선택적으로 제어한 것임. 금(金)은 흑연 표면과 결합하는 힘이 그래핀 층간의 결합력과 비슷한데, 이를 활용해 금을 흑연표면에 코팅한 후 테이프로 떼어내자 단층 그래핀이 대면적으로 분리됐음. 또한 흑연과의 결합력이 금보다 큰 팔라듐, 니켈, 코발트 등으로 코팅하고 떼어냈더니 더 큰 층수의 그래핀이 얻어졌음.

연구팀은 이런 방법으로 수 mm 면적의 단일층부터 이중층, 그리고 최대 40층까지 층수가 제어된 그래핀을 얻어냈음. 실험 수치로 기존 박리법 대비 약 4천200배 넓고, 단위면적당 밀도는 최대 6천배 높은 수율을 확보했음.

연구책임자인 이재현 아주대 교수는 "그래핀과 그 위를 덮고 있는 금속필름 사이의 계면에서 두 소재간의 상호작용을 이용한 것이 이번 연구의 핵심"이라고 설명하고 "그래핀 뿐만 아니라 다양한 2차원 소재에 적용 가능한 기술로 확장할 수 있을 것"으로 기대했음.

본 연구 성과는 ‘Science Advances’ (“Layer-engineered large-area exfoliation of graphene”) 지에 게재되었으며, 한국연구재단의 기초연구실 사업과 생애 첫 연구 등의 지원으로 수행됨