10분 걸렸던 그래핀 10㎠ '3분 완성'…최고속도 경신

한·중 공동연구진 성과…"탄소 가두는 기술로 분당 12㎜ 성장"

그래핀 고속 성장 기술 설명도 [IBS 제공. 재판매 및 DB 금지]

한국과 중국 국제 연구진이 그래핀 성장 속도 부분 세계 최고 기록을 학계에 보고했다.

기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소 재료 연구단은 펑 딩 그룹리더(울산과학기술원 특훈교수) 팀이 중국과의 공동 연구를 통해 기존보다 3배 빠른 고속 그래핀 제조 기술을 구현했다고 16일 밝혔다.

그래핀은 탄소 원자 한 층으로 이뤄진 이차원 물질이다. 주원료인 흑연(Graphite·그래파이트) 영문 명칭에서 이름이 유래했다.

상온에서 구리보다 우수한 전기전도도를 가진 데다 강철의 30배 이상 강도를 지녔다. 빛을 대부분 통과시키기 때문에 투명하고, 신축성까지 뛰어나다.

한중 공동연구진은 그래핀 성장 과정에 불소를 국소적으로 주입하는 고속 제작 기술을 개발했다.

이 기술은 그래핀 성장에 일반적으로 쓰이는 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition·CVD)을 기반으로 한다. CVD는 금속 기판 표면에 메탄가스를 주입하며 탄소 원자를 금속 기판에 흡착하는 방식이다.

국소적 불소 주입을 통한 초고속 그래핀 성장 원리 [IBS 제공. 재판매 및 DB 금지]

연구진은 금속 기판으로 불소를 함유한 금속 불화물을 도입했다. 그 10∼20㎛ 위에는 얇은 구리 필름을 올렸다.

금속 불화물에서 반출되는 불소를 매우 좁은 공간 안에 머물게 하기 위해서다.

이 미세한 틈 덕분에 그래핀은 탄소를 더 손쉽게 얻을 수 있다고 연구팀은 설명했다.

루 치우 IBS 연구원은 "메탄 분자와 불소가 반응해 생긴 기체는 더 쉽게 분해된다"며 "탄소 공급 속도를 높여서 그래핀을 빠르게 성장시킬 수 있는 것"이라고 설명했다.

해당 기술을 적용한 그래핀은 분당 12㎜ 속도로 성장했다. 기존 최고 속도(분당 3.6㎜) 보다 3배 이상 빠르다.

예컨대 면적 10㎠ 그래핀을 만들 때 기존에 10분이 필요했다면, 이제는 3분 정도에 완성되는 셈이다.

그래핀 성장 시작 2초 뒤(a)보다 5초 뒤 확연히 커진 크기. 주사전자현미경 이미지 [IBS 제공. 재판매 및 DB 금지]

다른 2차원 부도체 물질(육방정계 질화붕소)과 반도체 물질(텅스텐 이황화물)에도 기술을 적용했더니 불소가 성장 속도를 빠르게 하는 역할을 했다고 연구팀은 덧붙였다.

펑 딩 그룹리더는 "불소를 국소적으로 주입하는 간단한 방식만으로도 상용화 걸림돌을 제거할 수 있었다"며 "불소 같은 반응성 좋은 물질로 다양한 2차원 물질을 빠르게 합성할 수 있을 것"이라고 말했다.

성과를 담은 논문은 이날 0시 네이처 케미스트리(Nature Chemistry)에 실렸다.

​(대전=연합뉴스) 이재림 기자 = ​walden@yna.co.kr