나노광학현미경을 이용해 대면적 그래핀의 상용화를 저해하고 있는 결함들의 정확한 구조를 규명함으로써 그래핀의 빠른 상용화 가능성 제시

성균관대학교 에너지과학과 정문석 교수(교신저자)와 미국 콜로라도 주립대 박경덕 연구원(제1저자) 연구팀이 탐침증강나노라만산란(Tip enhanced nano Raman scattering) 실험을 이용한 광학적, 구조적, 화학적 분석을 통해 대면적 그래핀의 품질을 저해하는 가장 대표적인 결함인 결정립계(grain boundary)의 구조를 규명하는데 성공했다. 

이는 기존 통설을 뒤집는 결과로서, 지금까지는 대면적 그래핀의 전기적 특성을 현격히 저하시키는 결정립계의 구조가 1차원 선형 원자결함에 탄소불순물들이 흡착되어진 구조라고 알려져 있었으나, 본 연구를 통해 대면적 그래핀 결정립계의 구조가 그래핀 2중층으로 이루어졌음이 확인됐다.

또한 그래핀의 대표적인 결함인 결정립계 이외에도 나노주름(wrinkle), 씨앗층(seed layer)의 라만산란 분광이미징에도 성공해 그래핀의 성장매커니즘을 이해하는데 현격한 도움이 될 것으로 기대된다. 

그래핀 결함의 정확한 모습을 찾은 본 연구 결과를 이용하여 향후 결함을 제어할 수 있는 기술이 개발될 것으로 기대되며, 이 경우 대면적 그래핀을 이용한 전자소자의 상용화 속도가 더욱 빨라질 것으로 예상된다. 

이번 연구결과는 재료공학 분야 최고 권위지 중의 하나인 ‘Advanced Materials' 에 2월 17일자로 게재되었으며 inside back cover 논문으로 선정되었다 .

본 연구는 기초과학연구원에서 지원하는 나노구조물리연구단의 지원으로 이루어졌다.

* 라만 산란(Raman scattering)은 1930년 노벨상을 받은 인도의 물리학자 라만에 의해서 발견된 연구로 소재에 레이저를 가할 경우 물질마다 고유의 진동수로 진동을 하게 되어 소재의 물리적-화학적 특성을 관찰할 수 있는 실험이다. 또한 탐침증강나노라만산란(Tip enhanced Raman scattering)은 2000년 스위스 취리히 공과대학의 Zenobi 교수에 의해 개발된 나노광학장비로 회절한계에 의해 일반 광학 현미경으로는 볼 수 없는 나노구조의 라만산란을 관찰 할 수 있고 표면의 형상도 동시에 관찰해 상관성 정보를 볼 수 있어 본 연구에서 그래핀 나노 결함들의 정확한 구조를 규명하는데 핵심적인 역할을 수행하였다. 나노라만산란실험은 매우 어려워 세계적으로 연구결과를 내는 그룹이 드물지만 본 연구그룹에서 최근 최적화에 성공하여 꾸준한 연구결과들이 나오고 있다.