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  1. 2011.11.29 그래핀 상용화 관건, 단결정 그래핀 관측 기술
2011. 11. 29. 04:00 대덕밸리과학소식/KAIST

그래핀은 흑연(그래파이트)의 한 층 한 층을 이루는 얇은 막이 박리된 상태를 의미하며, 탄소 원자가 육각형의 규칙적인 평면 구조를 이루고 있습니다.
그래핀의 한 층은 매우 투명하고 높은 전기전도도를 보이기 때문에, 특히 현재 급격한 가격 상승을 보이는 Indium Tin Oxide(ITO) 투명 전극을 대체 할 수 있을 것으로 기대받고 있습니다.
또 그래핀의 유연한 성질은 미래 산업에서 필요로 하는 유연하고 접을 수 있는 소자 및 초고속 반도체 소재로서 이용될 수 있습니다.
그래핀은 탄소 원자가 안정적으로 초박막 상태를 유지할 수 있는 구조로서, 양자홀 효과와 같은 특이한 물리적 성질을 보이기 때문에, 산업계는 물론 학계에서도 매우 높은 관심을 보이고 있는 신소재입니다.
하지만 그래핀을 실질적인 산업에 응용하기 위해서는 양질의 그래핀을 대량으로 생산할 수 있는 기술을 확보하는 것이 관건입니다.
 

꿈의 신소재 그래핀은 가장 우수한 전기적 특성이 있으면서도 투명하고, 기계적으로도 안정하면서 자유자재로 휘어지는 차세대 전자소재입니다.

그러나 현재 제조되고 있는 그래핀은 다결정성을 지니고 있어, 단결정일 때보다 상당히 낮은 전기적, 기계적 특성을 보입니다.

이것은 그래핀의 특성이 결정면의 크기와 경계구조에 큰 영향을 받기 때문입니다.

따라서 우수한 특성을 갖는 그래핀을 제조하기 위해서는 그래핀 결정면의 영역(도메인)과 경계를 쉽고 빠르게 관찰하는 것이 향후 그래핀의 물성을 크게 향상하고 상업화하기 위한 핵심기술입니다.

정희태 교수

KAIST 정희태 교수팀은 LCD에 사용되는 액정의 광학적 특성을 이용해, 그래핀 단결정의 크기와 모양을 대면적에 걸쳐 쉽고 빠르게 시각화할 수 있는 기법을 개발했습니다.

특히 그래핀의 단결정을 시각화함으로써, 단결정에서 얻을 수 있는 이론값에 가장 가까운 전기전도도를 직접 측정하는데 성공했습니다.

이번 연구는 우리나라가 보유한 세계 최고의 액정배향제어기술을 토대로, 대면적에 걸쳐 그래핀의 결정면을 누구나 쉽게 관찰할 수 있는 방법을 제시한 것입니다.

연구팀은 그래핀을 쉽게 대면적에서 관찰할 수 있는 기법을 개발하여 그래핀 상용화분야에서 원천기술을 획득했습니다.

또 그래핀을 이용한 투명전극, 플렉시블 디스플레이, 태양전지와 같은 전자소자 응용연구에도 한 걸음 다가섰습니다.

이번 연구는 정희태 석좌교수가 주도하고 김대우 박사과정생, 김윤호 박사(공동1저자), 정현수 박사과정생(제3저자)이 참여했습니다.

(왼쪽부터)정현수 박사과정생, 김윤호 박사, 김대우 박사과정생

연구 결과는 나노과학 분야의 권위 있는 학술지인 'Nature Nanotechnology' 온라인 속보(11월 20일)에 게재되었습니다.
(논문명: Direct visualization of large-area graphene domains and boundaries by optical birefringency)


 용  어  설  명

결정면(crystal face) :
결정의 외형을 나타내는 평면으로 격자면과 평행인 면

액정배향제어기술 :
액정의 방향을 일정하게 만드는 기술

광학적 특성 :
어느 물질에 빛을 통과시키거나 반사시킬 때 생기는 특성

액정(Liquid Crystals)

액체와 같이 유동성이 있으면서 고체적인 특성을 나타낸다. 전기-광학적 특성이 매우 뛰어나 LCD 구동을 위한 핵심 물질로 사용된다. 자연계에는 네마틱, 스메틱, 콜레스테릭 등 다양한 종류의 액정이 존재하며, 현재 LCD에 사용되는 액정은, 기판의 표면성질에 따라 배향을 쉽게 조절할 수 있는 네마틱 계열의 액정물질이다. 비등방성(anisotropy)을 가지는 액정분자의 구조적인 특징 때문에, 고유한 전기-광학적 특성을 보인다. 본 연구에서는 그래핀 표면에서 일정방향으로 배향되었을 때 나타나는, 액정물질의 굴절률 차이(복굴절, birefringency)를 이용함으로써 그래핀 도메인을 관찰할 수 있었다.

<연 구 개 요>

꿈의 신소재인 그래핀을 산업에 응용하기 위해서는 우수한 물성을 가지면서 대량의 그래핀 생산 기술을 확보하는 것이 최대의 관건이다. 2010년 Andre Geim 교수(Univ. of Manchester)가 스카치테이프를 이용하여 흑연에서 그래핀을 떼어내는 방법 이후에 수많은 그래핀 연구의 발전이 있어 왔으나, 현재까지 가장 큰 이슈 중의 하나가 이론적인 특성보다 상당히 낮은 전기적, 기계적 물성을 보인다는 것이다.

연구결과에 의하면, 이러한 문제의 가장 큰 원인이 현재까지 화학기상성장(CVD) 방법, 화학적 방법 등을 이용하여 합성된 그래핀이 다결정성을 이루어져 있어, 단결정을 가졌을 때 예상되는 이론적인 특성보다 상당히 낮은 전기적, 기계적 물성을 보인다. 이는 다결정성 그래핀에서 발생하는 도메인 간의 경계구조가 에서 전기적, 기계적 성질이 크게 영향을 미치기 때문이라고 알려져 있다. 따라서 이상적인 전기적 특성을 가지는 양질의 그래핀을 제조하기 위해서 그래핀의 도메인과 경계를 관찰하는 것이 그래핀의 상업화에 매우 중요하다.

이러한 그래핀 도메인 조절의 중요성에도 불구하고, 그 도메인과 경계를 쉽게 관찰하는 방법의 개발이 그래핀 연구에 있어서 가장 큰 난점 중의 하나로 여겨져 왔다. 기존의 라만 2D 맵핑(Raman 2D mapping) 분석, 저 에너지 전자 회절(Low Energy Electron Diffaction) 분석, 투과전자현미경(Transmittance Electron Microscopy) 분석으로는  그래핀의 도메인을 관찰하는데 많은 시간이 요구될 뿐 아니라, 그 관찰 범위 또한 수 마이크로로 제한적이라 현실적으로 불가능한 방법들이었다. 따라서 그래핀의 특성을 조절하기 위해서 범용적이며, 손쉽게 그래핀의 결정면을 관찰하는 방법이 최근 그래핀 연구의 핵심이다.

이에, KAIST 생명화학공학과 정희태 석좌교수 연구팀은 LCD에 사용되는 액정의 고유한 광학적인 특성을 이용하여, 대면적에 걸쳐 그래핀의 단결정의 크기 및 모양을 쉽고 빠르게 시각화 할 수 있는 기법을 개발하였다. 특히 그래핀 단결정을 시각화함으로써, 단결정에서 얻어질 수 있는 이론값에 근사하는 전기전도도를 직접적으로 측정하는 쾌거도 이루었다.

(좌) 그래핀 결정면을 따라 배향된 액정분자 배향 모식도(우) 광학현미경으로 관찰된 실제 그래핀 결정면의 모습

그림 (좌) 모식도에서 보는 바와 같이, 그래핀 표면에 형성된 네마틱 액정분자의 알킬분자구조는 그래핀 층의 육각형 구조의 지그재그 간격과 일치하기 때문에, 그래핀 층의 결정방향에 따라 각 도메인에서 적합한 방향으로 에피택시(epitaxy)하게 배향된다. 또한 액정 분자체에 포함된 벤젠링 구조는 sp2 혼성결합으로 이루어진 육각형 벌집모양의 그래핀 표면과 강한 상호작용을 하여, 액정 분자체의 배향은 그래핀 도메인 배향과 일치하여 배향될 수 있다. 이렇게 그래핀의 도메인에 따라 배향된 액정분자체의 복굴절 색상을 편광현미경으로 관찰하게 되면, 그림 (우)에서 보는 바와 같이 그래핀 도메인에 따라 액정 층이 각각 다른 색을 띄게 되어 그래핀의 도메인과 경계구조를 광학적으로 손쉽게 확인할 수 있다.
 
이러한 그래핀 결정면의 광학적 시각화 방법은 손쉬운 액정 코팅방법을 사용함으로써 그 작업이 단순하고 시간과 비용이 줄어드는 동시에 편광현미경으로 관찰 가능한 범위(~수cm 이상)의 매우 넓은 영역의 결정구조를 확인할 수 있어 그래핀 특성을 연구하는데 필수적이다. 이러한 액정코팅을 통해 그래핀 도메인을 관찰하는 기법은 CVD로 합성된 그래핀뿐만 아니라, 다양한 합성법(기계적 박리, 화학적 합성 등)으로 만들어진 모든 그래핀 도메인 관찰에 적용 가능한 기술로서, 향후 그래핀 소재 연구 분야에서 광범위하게 사용될 수 있을 것으로 예상된다.

세계적으로 반도체와 디스플레이에서 강한 면모를 보이고 있는 우리나라는 그래핀을 쉽게 대면적에서 관찰할 수 있는 기술까지 보유하게 됨으로써, 그래핀 상용화분야에서 원천기술을 갖게 되었으며, 그래핀을 이용한 투명전극, 플렉시블 디스플레이, 태양전지와 같은 전자소자 응용연구에 한 발짝 다가설 수 있게 되었다. 그래핀을 이용한 새로운 응용의 신기원을 열게 되었으며, 차세대 전자소자 산업분야에서 시장 선점 및 막대한 부가가치 창출 등을 통해 국가경쟁력 강화에 크게 기여할 것으로 기대된다.

posted by 글쓴이 과학이야기

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