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KIST, 2차원 나노소재 형성 메카니즘 규명
금속 촉매없는 저온에서 그래핀성장 기판 개발 <br> 맨손 공정 가능 ‘그래핀 스티커’개발
개발된 γ-Al2O3 촉매 기판 위에 탄소 전구체로부터 그래핀 핵이 형성되는 과정을 그린 모식도. C: 탄소, H: 수소, Ea: 그래핀 형성 과정에서 고려된 에너지 장벽.
기존에는 2차원 소재의 실질적, 정량적인 성장 관계가 규명되지 않아 관련 연구가 한시적이었지만, 국내 연구진이 밝혀낸 2차원소재성장과정이 그래핀 및 2차원 소재에 대한 기폭제가 될 것으로 보인다.

한국과학기술연구원 (KIST, 원장 이병권) 광전소재연구단 송용원 박사 연구팀은 나노 소재의 합성 적용이 가능한 2차원 나노 소재의 합성 메카니즘을 수학적으로 유도해 이를 정량적으로 규명했다.

연구진이 개발한 메카니즘으로 2차원 나노소재의 성장환경, 촉매기판, 전구체를 함수로 넣어 최종적으로 합성 되는 2차원 소재의 정량적 형태의 정확한 예측이 가능해졌다.

또한 연구진은 이를 기반으로 새로운 비금속 절연기판소재인 γ-Al2O3 (감마상의 알루미나) 기판을 그래핀 합성을 위한 촉매이자 기판으로 개발, 응용하여 그래핀을 금속 촉매 없이 직접 절연 기판 위에 합성하는데 성공했다.

γ-Al2O3 기판 상에 합성된 그래핀은 추가적인 금속촉매 제거공정 없이 바로 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 Cu(구리)와 Ni(니켈) 촉매를 사용하여 합성된 그래핀 보다 우수한 특성들을 가진다는 것을 증명하였다.

이번 연구를 통해 새롭게 개발된 절연촉매 γ-Al2O3 기판은 다른 금속 촉매 도움없이 그래핀을 합성할 수 있는데 기판 전체가 절연기판이기에 합성된 상태로 바로 사용가능하다.

또한 기존 그래핀 합성온도는 1,000oC였지만, 그래핀 형성의 속도결정단계의 활성장벽이 낮아 합성 최저온도는 100 100oC6의 저온공정이다.

특히 성장된 그래핀과의 접작에너지가 매우 작아 그래핀위에 폴리머를 코팅하고 물리적으로 떼어내는 방식으로 손상이 최소화된 ‘그래핀 스티커’를 얻을수 있어 향후 플렉서블 또는 스트레처블 소자에 바로 응용이 가능하다.

손으로 재단한 그래핀 스티커는 D-형 광섬유에 부착하면, 그래핀의 비선형성 광흡수를 응용한 초고속 펄스 레이저 (femtosecond laser)를 구현할 수 있다. 또한 그래핀 스티커를 활용하여 전기 신호로 빛을 제어하는 전광스위치를 개발할 수도 있으며, 이를 활용하면 광통신에 직접 응용할 수 있다. 그래핀 스티커는 패치형 바이오센서, 기체센서, 광센서에도 적용가능하다.

제1저자인 박재현 박사는 “2차원 나노 소재에 대한 일반적 합성 메카니즘을 다양한 정량적 활성화 에너지를 바탕으로 도출된 식으로 표현하였으며, 이러한 활성화 에너지 값들이 2차원 소재 성장에 어떠한 영향을 미치느냐를 잘 보여주는 실질적인 해석의 틀을 제공하였다.”며, “새로운 2차원 나노 소재 합성에 있어 고려해야할 매우 중요한 판단의 근거를 제공해 줄 수 있을 것”이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 KIST의 차세대반도체연구소 융합사업의 지원으로 수행되었으며, Scientific Reports에 “Growth, Quantitative Growth Analysis, and Applications of Graphene on γ-Al2O3 catalysts” (DOI: 10.1038/screp11839)라는 제목으로 7월 3일 게재되었다.
(a) γ-Al2O3 기판 위에 성장된 그래핀 위에 폴리머 필름을 코팅 후 손으로 떼어내는 방법으로 얻어진 그래핀 스티커 모식도 및 얻어진 스티커를 가위로 재단하는 사진. (b) 재단된 그래핀 스티커를 D-형 광섬유에 간단히 붙이는 방법으로 고출력 지속파를 초고속 펄스파로 변환하는 모식도 및 실제 사진.

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강지혜 기자 (kjh@amenews.kr) [기자의 다른 기사보기]

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