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울산과기원, 그래핀 기능화 반응 촉진 원리 규명
그래핀 합성시 구리 기판 표면 반응 속도ㆍ균일도 영향
구리기판 위 환원기능기 달린 그래핀 합성…반응 가장 균일
기사입력  2019/11/07 [18:14]   허종학 기자

 탄소가 육각형 벌집 구조로 이어진 얇은 탄소막인 `그래핀`은 우수한 물리ㆍ화학적 성질 덕분에 차세대 재료로 각광받고 있다.


그래핀에 `기능기`를 더하면 더욱 다재다능해지는데 최근 이런 반응을 촉진시킬 수 있는 새로운 방법이 울산과학기술원(UNIST) 연구진에 의해 밝혀졌다.
UNIST는 자연과학부 로드니 루오프 교수팀이 기능기가 달린 그래핀을 합성할 때 구리 기판의 표면 결정방향이 반응 속도와 균일도에 영향을 준다는 사실을 밝혀냈다고 7일 밝혔다.


그래핀은 주로 화학기상증착법으로 합성되는데 높은 온도에서 기체상태의 원료가 금속 기판을 만나 분해되고 분해된 탄소들이 다시 결합하면서 그래핀이 만들어지는 원리다.
이때 원료가 되는 물질의 화학적 조성이나 금속 기판의 종류와 결정성 등이 그래핀이 가지는 성질에 영향을 준다.


이번 연구에서는 구리 기판 표면의 결정구조에 주목했다. 구리 금속은 원자들이 규칙적 배열을 이루며 쌓이는데 이를 결정구조라 한다.


결정구조가 똑같은 구리라도 자르는 단면의 방향에 따라 표면의 결정구조가 달라질 수 있다.
수박을 가로로 잘랐을 때와 세로로 잘랐을 때 표면이 다른 것과 비슷한 현상이다. 연구팀은 결정구조가 다른 세 종류의 구리 기판 위에서 환원기능기가 달린 그래핀을 합성했다.


그 결과 구리 표면에서 일어나는 반응이 가장 균일하고 빨랐다.
구리 표면에서 성장한 그래핀은 다른 결정구조의 표면보다 스트레스를 많이 받기 때문이다.
스트레스가 많으면 그래핀 내부에 압축변형이 더 잘 일어나고 그 영향으로 기능기를 더하는 반응(기능화 반응)도 촉진되는 것이다.


연구팀은 내부 스트레스에 따른 압축변형 정도를 보여주는 `압축변형률`이 기능화 반응에 미치는 영향도 계산했다.


그 결과 압축변형률이 클수록 반응에 필요한 추가 에너지가 적었다. 구리 기판 위에서 스트레스를 받으며 성장한 그래핀은 기능화 반응에서는 스트레스의 덕을 보는 셈이다.  허종학 기자

울산광역매일 교육사회부 기자입니다.
 
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