그래핀, 스트레스 받으면 성능 UP?!
그래핀, 스트레스 받으면 성능 UP?!
  • 강지희
  • 승인 2019.11.07 17:40
  • 조회수 412
  • 댓글 0
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Q. 스트레스를 받으면 더 강해지는 것은? A. 그래핀! 출처: pixabay
Q. 스트레스를 받으면 더 강해지는 것은? A. 그래핀! 출처: pixabay

탄소가 육각형 벌집 구조로 이어진 '얇은 탄소막'인 그래핀은 우수한 물리적, 화학적 성질 덕분에 차세대 재료로 각광받습니다. 그래핀은 '기능기(functional group)'를 더하면 더욱 다재다능해질 수 있는데요. UNIST 자연과학부의 로드니 루오프 교수팀은 이런 반응을 촉진 시킬 수 있는 새로운 방법을 알아냈습니다. 연구팀은 기능기가 달린 그래핀을 합성할 때 '그래핀이 합성되는 구리 기판의 표면 결정방향이 반응 속도와 균일도에 영향을 준다'는 사실을 밝혀냈는데요. 해당 연구 논문은 <Chemistry of Materials>에 게재됐습니다. 

 

자르는 단면에 따라 달라지는 그래핀 성능 

 

그래핀 구조. 출처: 포토리아<br>
그래핀 구조. 출처: fotolia

그래핀은 주로 화학기상증착법(CVD)으로 합성됩니다. 그래핀이 만들어지는 원리는 다음과 같습니다. 기체상태의 원료(Precursor)는 높은 온도에서 금속 기판을 만나면 분해됩니다. 이때 분해된 탄소들이 다시 결합하면 그래핀이 완성되죠. 그래핀의 성질에 영향을 주는 요인으로는 원료가 되는 물질의 화학적 조성, 금속 기판의 종류, 결정성 등을 꼽을 수 있습니다. 

 

이번 연구에서 연구팀은 '구리 기판 표면의 결정구조'에 주목했습니다. 구리 금속은 원자들이 규칙적 배열을 이루며 쌓이는데요. 이러한 규칙적 배열을 결정구조라고 합니다. 그런데 결정구조가 똑같은 구리라고 하더라도 자르는 단면의 방향에 따라 표면의 결정구조가 달라진다고 합니다. 수박을 가로로 잘랐을 때와 세로로 잘랐을 때 표면이 다른 것과 비슷한 현상이죠.

구리 기판 표면의 결정구조에 따른 반응성 분석. 출처: UNIST
구리 기판 표면의 결정구조에 따른 반응성 분석. 출처: UNIST

연구팀은 라만분광법을 이용해 결정구조가 다른 세 종류의 구리 기판(단결정 구리(111), 단결정 구리(100), 다결정)을 준비했습니다. 연구팀은 세 구리 기판 위에서 환원 기능기가 달린 그래핀을 합성했는데요. 그 결과 구리(111) 표면에서 일어나는 반응이 가장 균일하고 빨랐습니다. 구리(111) 표면에서 성장한 그래핀은 다른 결정구조의 표면보다 '스트레스'를 많이 받기 때문입니다. 스트레스가 많으면 그래핀 내부에 압축변형(Strain)이 더 잘 일어나고 그 영향으로 기능기를 더하는 반응인 '기능화 반응'도 촉진되는 것이죠. 

기능화 반응과 열처리가 그래핀의 압축변형(strain)에 미치는 영향.
기능화 반응과 열처리가 그래핀의 압축변형(strain)에 미치는 영향.
압축변형률(strain rate)이 그래핀의 환원 기능화 반응 에너지에 미치는 영향.
압축변형률(strain rate)이 그래핀의 환원 기능화 반응 에너지에 미치는 영향.

 

스트레스 받으니 그래핀 성능 UP

 

연구팀은 '압축변형률'이 기능화 반응에 미치는 영향도 계산했습니다. 압축변형률이란 내부 스트레스에 따른 그래핀의 압축변형 정도를 말하는데요. 그 결과 그래핀의 압축변형률이 클수록 반응에 필요한 추가 에너지가 적었습니다. 즉 변형률이 높을수록 반응이 더 쉽게 일어나는 것입니다. 구리 기판 위에서 스트레스를 받으며 성장한 그래핀은 기능화 반응에서는 스트레스의 덕을 보는 셈이죠. 또 열을 가해서 '기능기'를 제거 했을 때는 그래핀의 압축 변형률이 원래대로 돌아오는 현상을 관찰했습니다.  

로드니 루오프 UNIST교수
로드니 루오프 교수. 출처: UNIST

이번 연구를 주도한 루오프 교수는 "단결정 그래핀에서 압축변형이 그래핀 표면의 반응성에 영향을 준다는 점을 규명한 뜻깊은 연구"라며 "화학기상증착법으로 성장한 그래핀은 태생적으로 스트레스로 인한 압축변형을 내포한다. 이번에 발견한 원리를 이용하면 기존보다 쉽게 그래핀의 성질을 조절할 수 있을 것"이라고 밝혔습니다.

 

##참고자료##

 


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