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IBS 연구진, 그래핀 제조시간 단축 방안 제시펑딩 IBS 다차원탄소재료연구단 그룹리더. IBS 제공. 그래핀은 꿈의 소재로 불린다. 물리화학적 안정성이 뛰어나고 전기전도도, 강도가 기존 소재보다 비교할 수 없을 정도로 좋다. 반도체에 주로 쓰이는 실리콘보다 전자의 이동성이 100배 이상 좋다. 그래핀을 다양한 분야에 활용하려면 대면적 제작이 필요하다. 또 제조 시간도 줄여야 한다.

기초과학연구원(IBS) 다차원탄소재료연구단의 펑딩 그룹리더 연구팀은 중국 연구진과의 공동연구를 통해 불소(F)를 주입해 기존보다 3배 빠른 속도로 그래핀을 성장시키는 데 성공하고 연구결과를 학술지 ‘네이처 케미스트리’ 16일자(한국시간)에 발표했다. 지금까지 학계에 보고된 최고 속도다. 그래핀 상용화를 위한 여러 퍼즐 중 제조시간 단축이라는 퍼즐의 실마리를 제시한 셈이다.

그래핀처럼 물성이 좋은 2차원 소재 제조시간을 줄이기 위해 지금까지 원료물질을 바꾸거나 온도를 조절하는 등 제조 환경을 바꾸는 방법이 시도됐다. 하지만 이 방식으로는 그래핀의 성장을 완전히 제어할 수 없어 근본적인 해결책이 필요한 상황이다.

연구진은 해결책으로 불소에 주목했다. 불소는 원자나 분자가 화학결합을 할 때 다른 전자를 끌어들이는 능력인 전기음성도가 높아 반응성이 좋다. 연구진은 이같은 특성이 있는 불소를 합성과정에 적용하면 2차원 소재를 빠르게 합성하는 데 유리할 것으로 예상했다.

그러나 불소 기체를 곧바로 주입할 경우 반응성이 큰 불소가 다른 물질과 결합해 독성물질을 생성할 위험이 있다. 때문에 연구진은 공간적으로 제한된 부분에서만 국소적으로 불소를 활용하는 방법을 고안했다.

일반적으로 그래핀 성장에는 화학기상증착법(CVD)이 활용된다. 금속기판 표면에 메탄가스를 주입하며 메탄 속 탄소 원자가 금속 기판에 흡착하는 식으로 그래핀을 형성하는 방식이다.
연구진은 금속 기판으로 불소를 함유한 금속불화물을 사용하고 이 위에 얇은 구리 필름을 올린 형태의 기판을 제작했다. 그리고 온도를 높여 불소가 금속불화물로부터 방출되도록 했다. 불소는 금속불화물과 구리 필름 사이의 10~20마이크로미터의 매우 좁은 공간에서만 머문다. 불소가 다른 물질과 반응하지 않도록 일종의 장벽을 세워 가둔 것이다. 이 틈 속에서 불소로 인해 메탄가스는 더 분해가 쉬운 형태의 기체로 바뀌고 최종적으로 그래핀은 더 손쉽게 원료인 탄소를 얻어 더 빠르게 성장할 수 있다.

새로 개발된 기술을 적용한 결과 그래핀을 분당 12mm의 속도로 빠르게 성장시키는 것으로 나타났다. 이는 지금까지 보고된 그래핀 성장 최고속도였던 분당 3.6mm보다 3배 이상 빠른 속도다.

펑딩 그룹리더는 “2차원 물질의 성장과정에서 불소를 국소적으로 주입하는 간단한 방식으로 상용화의 걸림돌이 되던 성장속도 문제를 해결했다”며 “불소와 같은 반응성이 좋은 물질들로 다양한 2차원 물질을 더 빠른 속도로 합성할 수 있을 것”이라고 말했다.

[김민수 기자 [email protected]]