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  펜실바니아 대학 연구팀이, 2010년 물리학 분야에서 노벨상을 수상하였고 다양한 분야에서 높은 활용도를 가진 원자크기 소재인 그래핀을 보다 일관성 있고 경제적으로 제조하는 방법을 개발했다.
  최근 논문에서 연구팀은, 쉽게 구할 수 있는 소재와 상업적 규모로 대량생산할 수 있는 제조공정을 도입하여 전체 면적의 95%가 단원자 두께를 갖는 고품질 그래핀을 제조했다고 밝혔다. “단원자 두께가 약 90%를 차지하는 그래핀은 보고된 바 있으나, 우리의 연구결과는 최종 목표인 100%에 훨씬 더 가깝게 다가섰다. 또한 완벽하게 상업화 가능한 공정이라고 믿고 있다.”라고 본 연구 책임자이면서 물리학과 교수인 A.T. Charlie Johnson이 말했다.
  모두 펜실베이니아대학 물리학 및 천문학과 소속으로서, 박사후 연구원인 Zhengtang Luo와 Brett Goldsmith 박사와 대학원생인 YeLu 및 Luke Somers, 학부생인 Daniel Singer와 Matthew Berck등이 본 프로젝트에 참여했다. 연구결과는 2월 10일자 Chemistry of Materials 저널에 발표되었다.

  그래핀은 단일 원자층 두께의 박막에 배열된 탄소원자가 육각의 철조망 형태 격자모양을 띤 물질이다. 탁월한 전기 전도성을 포함한 독특한 물리적 특성들로 인해, 태양전지, 에너지 저장, 컴퓨터 메모리 및 기타분야에서 주요한 기술적 진전을 가져올 수 있다. 그러나 복잡한 제조공정과 종종 예상치 못한 결과들로 인해 그래핀의 폭넓은 활용이 지체되고 있다.
  산업적 규모의 그래핀을 생산하는데 장벽은, 높은 비용이나 천연자원의 부족이 아니라 일정한 두께를 가진 그래핀을 적절한 양만큼 제조할수 있는 능력이다. 가장 유력한 제조기술은, 메탄을금속 박막에 입히는 CVD 즉 화학기상증착 방법이다.
  메탄의 탄소원자가 금속 표면위에 그래핀 박막을 형성하지만, 탄소가 적층되어 사용이 불가능한 덩어리가 형성되는 것을 막기 위해 거의 진공 상태에서 공정이 이루어진다.
  펜실바니아 연구팀은, 금속 표면이 충분히 매끄러울 경우 상압에서도 단원자 층 두께의 그래핀이 신뢰성 있게 제조 가능함을 밝혔다. “대기압에서 제조가 가능하기 때문에, 보다 저렴한 비용과 다양한 방법으로 그래핀을 생산할 수 있다.”고 논문 제1 저자인 Luo 박사는 말했다.
  또한 기존의 제조방법에서는 특별히 제작된 구리 박막을 사용하기 때문에 제조가격이 비싼데 비해, Johnson 교수 연구팀은 시중에서 흔히 판매되는 일반 구리 호일을 사용했다. 또한 기존의 방법은 표면에 결함이 있는 구리 시트를 사용할 경우 그래핀이 예상치 못한 방법으로 적층현상을 나타내기 때문에, 가능한 매끄러운 표면을 가진 비싼 특수 구리시트를 제조해야 한다. 대신 본 연구팀은 은제품과 수술 도구 등의 표면처리에 흔하게 사용되는 산업 기술인 “전자 연마(electropolish)”방법으로 구리 호일을 처리했다. 이렇게 연마된 구리 호일은 표면적의 95%이상에 단일층 그래핀을 형성할 수 있을 정도로 충분히 매끄러웠다.
  상업적으로 입수가 가능한 소재와 이미 제조업에서 널리 활용되고 있는 화학공정을 적용함으로써, 그래핀의 상업적 응용이 훨씬 용이해졌다. “전반적인 제조 시스템이 보다 용이하고 비용은 덜 들며, 훨씬 유연하다.”고 Luo 박사는 말한다. 그 중에서도 가장 획기적으로 간소화된 공정은 상압에서도 그래핀을 제조할 수 있다는 점이며, 향후 그래핀 제조 과정에서 몇몇 고비용 단계가 필요 없게 된다.

  “고진공 상태에서 작업 시에는, 진공 챔버에 그래핀을 넣고 빼는 과정에서 기체의 유출을 조심해야 한다. 그러나 대기압에서는 구리를 전기연마하고 그래핀을 구리에 증착한 다음 컨베이어 벨트를 따라 공장의 다른 공정으로 이동시킬 수 있다.” 본 연구는 NSF를 통해 펜실바이나 대학 Nano/Bio Interface Center의 재정지원을 받았다.