KBSI '그래핀 합성 때 구리면 응력 변화' 처음 밝혀냈다

KRISS와 공동연구

고품질 그래핀 합성에

중요한 단서 제공

[대전=뉴시스] 그림 a는 구리 박막 위에 합성된 그래핀의 라만 피크(G밴드) 이동 분포도에 대한 이미지고 b는 동일 영역의 그래핀 응력 분포도, c는 도핑 분포도에 대한 이미지다.(사진=KBSI 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 한국기초과학지원연구원(KBSI)은 소재분석연구부 문준희 박사팀과 한국표준과학연구원(KRISS) 박재성 박사팀이 공동연구를 통해 구리 박막을 촉매로 그래핀을 합성할 때 발생하는 구리 스텝면과 그래핀 응력변화의 상관관계를 밝혀냈다고 16일 밝혔다.

꿈의 물질로 불리는 고품질 그래핀 합성연구에 중요한 정보를 제공한 이번 연구 결과는 표면분야 국제 학술지 'Small Structures'에 온라인 판에 지난달 7일 게재됐다.(논문명:Micropatterned Strain Domain in Graphene on Cu Substrates: Correlation with Facet Structures)

그래핀은 탄소원자가 겹겹이 쌓인 흑연에서 한층을 분리한 물질로, 육각 벌집 구조형태의 탄소원자가 2차원으로 배열된다. 세상에서 가장 얇고 물리적 강도가 강하며 우수한 열전도성과 전기전도도를 지녀 꿈의 신소재로 주목받고 있다.

높은 품질의 그래핀을 생산하는 기술 중 하나가 구리, 니켈과 같은 금속 표면에 그래핀을 증착(합성)하는 방법이다. 하지만 합성 과정에서 발생하는 물리화학적 현상들이 그래핀의 품질에 큰 영향을 미치기 때문에 구리와 그래핀 사이의 상호작용에 대한 연구가 매우 중요하다.
 
연구팀에 따르면 구리를 촉매로 섭씨 1000도의 고온에서 그래핀을 합성하는 경우 냉각과정에서 그래핀은 팽창하고 구리는 수축해 두 물질 사이에 응력이 발생하게 되고 그 영향으로 구리 표면이 물결모양으로 변화한다.

이 때 구리 표면은 수 마이크로미터 크기의 간격으로 면(facet)이 변하는 형상을 나타난다.

이번에 KBSI와 KRISS 연구팀은 해당 면(facet)에 따라 그래핀 내 응력도 수 마이크로미터 간격으로 변화하는 현상을 처음으로 발견했다.
 
연구팀은 원자힘현미경을 이용해 구리 표면의 형상을 관찰하고 라만분광법을 활용, 구리 면에서 형성된 그래핀의 응력 분포를 조사해 구리의 물결을 형성하는 면(facet)에 따라 그래핀의 응력이 변해 수 마이크로미터 스케일의 도메인 패턴 형태로 나타나는 것을 확인했다.

또한 여러 도메인 패턴을 가로지르는 선 경계가 존재하는 것도 발견했다.

이번 공동연구에서 KBSI 문준희 박사 연구팀은 그래핀 합성 및 분석을 담당해 구리 스텝 면에 따른 응력변화를 발견했고 해당 응력이 마이크로미터 스케일 패턴 도메인 형태로 형성됨을 관찰했다.

KRISS 박재성 박사팀은 응력 도메인의 형태와 그래핀이 타겟 기판으로 전사됨에 따른 응력의 존재 여부에 관한 결과를 도출했다.

이번 연구는 그래핀 합성 시 구리표면과 그래핀의 응력 형태에 대한 첫 결과로 향후 다양한 그래핀 소자 개발 시 중요한 정보가 될 수 있다.

KBSI 문준희 박사는 "그래핀 합성 시 구리표면 변화로 인한 그래핀 내 응력 발생 및 해소에 관한 보고는 많았지만 구리면에 대한 그래핀의 응력 형태에 대한 보고가 부족했다"며 "이번 연구에서 열화학기상증착으로 합성된 그래핀은 구리 스텝면에 따라 응력 분포의 차이를 보이는 것을 처음으로 확인했다는 데 의미가 있다"고 밝혔다.

KRISS 박재성 박사는 "그래핀의 응력 분포는 비등방성 전류의 흐름 등, 전기적 성질에 부정적 영향을 끼칠 수 있어 그래핀 응용에 필수적으로 고려되는 사항 중 하나"라면서 "구리 위 그래핀의 응력 분포가 전사 후에는 풀려 전기적 특성에 거의 영향을 주지 않는다는 사실은 응용소자를 개발할 때 쓰는 CVD 그래핀에서 고려해야 할 변수를 제한해 준다"고 강조했다.


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