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단층의 ‘순정’ 그래핀을 손쉽게 검증하는 분석법 개발 보기
제목 단층의 ‘순정’ 그래핀을 손쉽게 검증하는 분석법 개발
연구팀 광전소재연구단 이재갑 박사팀 조회수 3390
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단층의 ‘순정’ 그래핀을 손쉽게 검증하는

분석법 개발


- 라만 스펙트럼의 특정 피크(Peak)로 단층의 순수 그래핀을 쉽게 판별

- 실체 있는 연구 유도로 그래핀의 실용화 앞당길 것으로 기대



‘꿈의 신소재’로 각광받고 있는 ‘그래핀(Graphene)’은 흑연*의 구성단위이며 탄소원자가 육각형 모양을 이루는 원자두께(0.4 nm(나노미터))를 지닌 2차원 물질이다. 2010년 노벨물리학상을 수상케 한 그래핀은, 강철보다 100배 강하지만 유연하고, 뛰어난 물리적 특성으로 차세대 소재로 주목받고 있다. 
*흑연 : 층상구조를 갖는 탄소재료로, 2층 이상의 그래핀이 평면적으로 적층된 상태를 말한다.

하지만 그래핀은 두께가 원자 단위로 얇아 분석이 어렵고, 소재의 순수성에 대한 검증을 보인 연구사례가 극소수이어서 순수한 그래핀의 사용여부에 대한 불분명함이 있었다. 이러한 점이 2004년 그래핀의 첫 등장 이후, 많은 연구가 이루어졌음에도 불구하고 아직 뚜렷한 실용화 사례가 없다는 것에 대한 원인 중 하나로 꼽힌다.  

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 차세대반도체연구소 광전소재연구단 이재갑 박사팀은 한국기초과학지원연구원(KBSI, 원장 이광식) 김진규 박사팀 및 연세대학교(총장 김용학) 신소재공학과 이우영 교수팀과의 공동연구를 통해 라만(Raman)분광분석**에서 낮은 에너지 영역에서 나오는 미세하지만 재현성이 있는 ‘특정 피크(peak)’로 단층의 순수한 그래핀을 확인할 수 있는 방법을 개발하였다. 이 분석법을 이용하면 그래핀 소재의 파괴없이 저비용으로 불과 수 분내의 빠른 시간에 분석할 수 있다.
**라만(Raman)분광분석: 광학을 이용한 재료의 비파괴적 분자구조 및 결정성 분석법으로 수 분 내에 분석이 가능하여 널리 사용되는 방법임. 
공동연구팀은 단층의 순수 그래핀 또는 2층 그래핀을 수백 nm2 이상의 면적으로 성장시키고 이를 고해상도투과전자현미경(HRTEM)***으로 관찰했을 때 이들 소재의 끝이 구부러지는 현상을 확인하였다(그림 1a,b). 이 그래핀 끝 구부러짐이 만드는 곡면의 직경이 1~2 nm일 때 라만 스펙트럼의 낮은 에너지 영역에서 특유의 피크가 나타남을 실제 라만분석과 시뮬레이션을 통해 확인함으로써(그림 1d, 2d), 라만스펙트럼 분석만으로 단층 그래핀 검증이 가능함을 보였다.
***고해상도투과전자현미경(HRTEM: High Resolution Transmission Electron Microscopy) 
: 그래핀을 분석하는 확실한 방법으로 알려진 장치, 통상 나노두께 물체를 투과시키며 관찰하는 
  장치로 고비용, 장시간이 소요되고 시료를 회수할 수 없는 단점이 있다.

이번 연구진이 개발한 분석법은 널리 사용되는 라만분석만으로 순수한 그래핀을 검증할 수 있어, 우수한 물성이 검증된 그래핀 소재의 대량 제조법 개발 및 실용화에 기여할 것으로 보인다. 

KIST 이재갑 박사는 “2004년 그래핀의 첫 보고 이후 단층의 순수 그래핀을 보여준 경우는 손에 꼽을 수 있는 극소수이다. 분석의 어려움 때문에 그래핀 연구에 혼란이 있었는데, 이 그래핀 검증법의 개발로 그래핀 소재의 옥석이 가려져 그래핀 연구의 새장이 열릴 것이다”고 밝혔다. 

본 연구는 미래창조과학부의 지원으로 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 연구결과는 물리화학분야 권위지인 ‘The Journal of Physical Chemistry Letters(IF : 8.539)’에 6월 5일자로 게재되었다. 본 연구의 핵심내용은 특허출원 중에 있다.
(*발명명: 그래핀포함 자유형 이차원 소재의 검증법, 2016-0105722).


<그림설명>

1.jpg

<그림 1> 
그래핀의 고해상도투과전자현미경사진(a-c) 및 라만 스펙트럼(d). 단층(1) 및 2층(2) 그래핀이 보이는데(b), 가장자리에 각각 단층 또는 2층의 단면 선이 보이는 것으로부터 소재의 끝이 휘어져 일어나 있음을 알 수 있음(a 모식도). 라만스펙트럼에서 118 cm-1에서 나타나는 픽은 나노곡률을 갖는 2층 그래핀에서 나타나는 것이고, 165~325 cm-1 및 325~500 cm-1는 각각 나노곡률을 갖는 단층/2층의 그래핀 및 단층 그래핀에서 나타나는 것임. e,f는 곡률 및 모양에 따른 그래핀의 라만 픽 위치를 나타낸 시뮬레이션 결과임. 

2.jpg
<그림 2> 
그래핀의 고해상도투과전자현미경사진(a-c) 및 라만 스펙트럼(d). 그래핀은 직류전원플라즈마화학장치로 시드성장되었음. 단층(1) 및 2층(2) 그래핀이 보이고(b), 육각형 원자격자로부터 그래핀임을 확인할 수 있음(c). 라만스펙트럼에서 118 및 175 cm-1에서 나타나는 픽은 각각 나노곡률을 갖는 이층 및 단층 그래핀에서 나타나는 것이고, 165~325 cm-1 및 325~500 cm-1는 각각 나노곡률을 갖는 단층/2층의 그래핀 및 단층 그래핀에서 나타나는 것임.

3.jpg

<그림 3> 
곡면 그래핀이 라만분석시 ‘원주방향 모드(radial mode: RM)’를 나타내는 원리를 설명한 모식도(a, b) 및 곡면 그래핀이 라만분석시 각각 191과 166 cm-1에서 픽을 나타냄을 보인 시뮬레이션 결과임(d, e). 본 연구에서 제안한 RM 이론은 단일벽탄소나노튜브의 것으로 잘 알려진 RBM 이론을 포함함(c).

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