국내 연구진이 꿈의 신소재 그래핀 상용화에 도움이 될 구리표면 응력패턴을 최초로 규명했다.
한국기초과학지원연구원(KBSI)은 소재분석연구부 문준희 박사팀이 한국표준과학연구원 박재성 박사팀과 공동연구로 구리박막을 촉매로 그래핀을 합성할 때 발생하는 구리 스텝면과 그래핀 응력변화의 상관관계를 밝혀 고품질 그래핀 합성 연구에 중요한 정보를 도출했다고 16일 밝혔다.
이번 연구는 그래핀 합성 시 구리표면과 그래핀 응력형태에 대한 첫 결과로, 향후 다양한 그래핀 소자 개발에 중요한 정보를 제공할 전망이다.
a.구리박막 위에 합성된 그래핀의 라만 피크(G밴드) 이동 분포도에 대한 이미지, b.동일 영역의 그래핀 응력 분포도, c.도핑 분포도에 대한 이미지. 한국기초과학지원연구원 그래핀은 육각 벌집구조의 탄소원자가 2차원으로 배열된 물질로, 세상에서 가장 얇고 물리적 강도가 강하면서 우수한 열전도성과 전기전도도를 지닌 꿈의 신소재다.
고품질 상용 그래핀을 생산하는 기술로는 구리, 니켈 등의 금속 표면에 그래핀을 증착하는 방법이 있고, 특히 구리를 활용해 대면적 포일에 그래핀을 균일하게 증착할 수 있는 기술이 개발되면서 후속연구가 활발하게 진행 중이다.
때문에 이 같은 합성과정에서 발생하는 물리화학적 현상은 그래핀 품질에 큰 영향을 미치기 때문에 구리와 그래핀 사이 상호작용에 대한 연구가 매우 중요하다.
구리를 촉매로 1,000℃의 고온에서 그래핀을 합성하면 냉각과정에서 그래핀이 팽창하고 구리는 수축해 두 물질 사이 응력이 발생, 이 영향으로 구리표면이 수 ㎛ 간격으로 물결모양으로 변한다.
연구팀은 이 면에 따라 그래핀 내부 응력도 수 ㎛ 간격으로 변화하는 현상을 최초로 발견했다.
아울러 연구팀은 원자힘현미경으로 구리표면 형상을 관찰하고 라만분광법으로 해당 구리 면에 형성된 그래핀 응력 분포를 조사한 결과 구리의 물결을 형성하는 면에 따라 그래핀 응력이 변해 수 마이크로미터 스케일의 도메인 패턴형태로 나타나는 것과 여러 도메인 패턴을 가로지는 선 경계가 존재하는 것을 발견했다.
특히 그래핀 합성 및 분석을 담당한 문 박사팀은 구리스텝 면에 따른 응력변화를 발견, 해당 응력이 ㎛ 스케일 패턴 도메인 형태로 형성됨을 관찰했다.
또 박 박사팀은 응력 도메인 형태와 그래핀이 타겟 기판으로 전사됨에 따른 응력 존재여부를 도출했다.
문 박사는 “그래핀 합성 시 구리표면 변화로 내부 응력 발생과 해소에 관한 보고는 많았지만, 구리표면의 그래핀 응력형태에 대한 보고가 부족했다”며 “이번 연구에서 열화학기상증착으로 합성된 그래핀이 구리 스텝면에 나타나는 응력분포 차이를 처음으로 확인했다”고 설명했다.
박 박사는 “그래핀 응력분포는 비등방성 전류의 흐름 등 전기적 성질에 부정적 영향을 끼칠 수 있어 그래핀 응용에 필수적으로 고려되는 사항”이라며 “이번에 발견한 그래핀 응력분포가 전기적 특성에 거의 영향을 주지 않는다는 사실은 촉각센서 등 응용소자 개발 때 고려할 변수를 제한한다”고 말했다.
