본 연구 결과가 게재된 Science Advances (권: 6호: 44, eabc6601) 및 연구진(문지윤, 최준희, 이재현 교수, 손석균 교수) /목포대 제공

목포대학교는 손석균 교수(목포대), 이재현 교수(아주대), 조성호 상무(삼성디스플레이)가 공동으로 주관한 국내 연구팀(제1 저자 문지윤 연구원, 김민수 박사)이 층수가 제어된 대면적 그래핀 박리법*을 개발했다고 밝혔다.

그래핀은 탄소 원자들의 육각형 격자를 이루며 규칙적으로 배열된 구조를 가진 단일 원자 층 두께의 대표적인 결정성 2차원 물질로, 매우 뛰어난 전기적, 기계적 특성을 가지고 있어 유연 디스플레이 및 전자소자 등에 응용될 꿈의 신소재로 불려왔다. 하지만 탄소가 벌집 모양으로 결합한 단일 층의 평면 그래핀은 10만 층을 쌓아야 머리카락 굵기가 될 정도로 얇아 반복 작업과 작업자의 숙련도에 의존하여 그래핀의 면적과 층수, 수율을 제어하는 것이 어려운 단점을 가지고 있었다.

이에 연구팀은 테이프로 떼어낼 때 생기는 균열의 크기와 방향을 원자 수준에서 제어하여, 제어된 층수의 대면적 그래핀을 얻는 데 성공하였다. 흑연 위에 특정 금속 박막을 증착해 균열의 깊이와 방향을 무작위가 아니라 선택적으로 제어한 것이다.

그래핀 층간 결합력과 비슷한 수준으로 흑연표면과 결합하는 금(Au)으로 흑연표면을 코팅한 후 테이프로 뜯어내면 균열이 수직 방향(흑연의 아래쪽 방향)이 아닌 표면과 평행한 방향으로 전파되어 단층의 그래핀만 분리되는 방법론을 소개한 것이다. 반면 흑연과의 결합력이 금보다 큰 팔라듐, 니켈, 코발트로 코팅하고 테이프로 떼어내면 최초로 형성되는 균열이 더 깊어져 결과적으로 더 많은 층수의 그래핀이 얻어진다고 소개했다.

이 방법을 이용하면 수 mm 면적의 단일 층부터 이중 층, 그리고 최대 40층까지 층수가 제어된 그래핀을 얻을 수 있으며, 기존 박리법 대비 약 4200배 넓은 면적 및 단위면적당 밀도가 최대 6000배 가량 증가할 정도로 높은 면적과 수율을 확보하는 방법이라고 본 연구진들은 설명했다.

본 연구를 주도한 목포대 손석균 교수와 아주대학교 이재현 교수는 새로운 박리법을 통해 확보된 그래핀을 육방정계 질화붕소(hBN)로 감싼 2차원 이종접합 통해 저온(4K)에서 전기적 물성을 분석한 결과, 기존에 보고된 최고품질의 그래핀 소자와 유사한 전자 이동도(carrier mobility)를 보였으며 양자 홀 효과(quantum Hall effect)를 관찰할 수 있을 만큼 고품질의 그래핀임을 강조했다.

아울러 본 연구에 공동 저자로 참여한 물리학과 최준희 연구원은 목포대학교 물리학과에서 진행된 무결점 그래핀 박리 연구에 참여할 수 있어서 2차원 소재와 관련된 반도체 물리학에 더 많은 것을 배울 수 있었다고 전했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실 사업과 생애 첫 연구사업 지원으로 수행됐다. 또한, 연구 결과는 그래핀의 산업적 응용의 걸림돌 가운데 하나인 무결점 그래핀 확보를 위한 새로운 대안을 제시할 수 있을 것으로 기대되어 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(ScienceAdvances)-https://advances.sciencemag.org/content/6/44/eabc6601 ’에 게재됐다.