한국과학기술연구원(KIST)은 광전소재연구단 송용원 박사 연구팀이 나노 소재의 합성 적용이 가능한 2차원 나노 소재의 합성 메카니즘을 수학적으로 유도하고 이를 정량적으로 규명했다고 15일 밝혔다.
연구진이 개발한 메카니즘은 이것이 적용되는 성장 환경, 촉매 기판, 전구체를 함수로 넣어 최종적으로 합성 될 2차원 소재의 정량적 형태를 정확히 예측할 수 있다.
그래핀을 이용해 이를 증명한 연구팀은 이를 기반으로 새로운 비금속 절연 기판 소재인 γ-Al2O3 (감마상의 알루미나) 기판을 그래핀 합성을 위한 촉매이자 기판으로 개발, 응용해 그래핀을 금속 촉매 없이 직접 절연 기판 위에 합성하는데 성공했다. 또한 이렇게 γ-Al2O3 기판 상에 합성된 그래핀은 추가적인 금속촉매 제거공정 없이 바로 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 Cu(구리)와 Ni(니켈) 촉매를 사용해 합성된 그래핀 보다 우수한 특성들을 가진다는 것을 증명했다.
연구진이 수학적으로 유도한 2차원 나노 소재의 일반적인 형성 메카니즘은 시스템에 주입한 탄소 전구체의 종류, 압력, 촉매 기판의 정보로부터 탄소 전구체가 수소를 잃으면서 촉매 기판 위에 공급되는 탄소 원자량을 바탕으로 한다. 이러한 과정에서 생성된 탄소 원자가 기판 표면으로부터 떨어져 나가는 확률과 표면 확산을 통해 무사히 다른 탄소 원자 또는 다량체와 만나 이량체를 형성하거나, 그래핀 핵이 형성되고 성장하는 확률, 그리고 그래핀 그레인으로부터 탈착되는 확률에 대한 비율 평형 방정식(balance rate equation)을 바탕으로 세워졌다. 그리고 연구 결과 촉매 기판의 촉매적 활성화 사이트(catalytic active site)가 온도에 따라 변화되는 점을 착안해 유도된 메카니즘 식을 보정했다.
연구진이 개발한 매커니즘으로 예상한 그래핀 합성결과와 실제 그래핀의 합성 결과는 저온공정에서 고온공정, γ-Al2O3 촉매 절연기판, Cu와 같은 전이 금속 촉매 기판 모두에서 그래핀의 성장 결과가 정확히 일치했다. 이러한 결과식을 시간에 따라 풀면, 온도에 따른 초기 핵형성 방정식 (initial nucleation rate)부터, 그레인의 성장 속도, 최종적으로 성장될 그레인 크기, 표면 점유율 (surface coverage) 등을 구할 수 있다.
그리고 이 연구 과정에서 새롭게 개발된 절연촉매 기판인 γ-Al2O3 기판은 다른 금속 촉매의 도움 없이 그래핀을 합성할 수 있으며, 기판 자체가 전사 공정이 필요 없는 절연기판이기에 합성된 상태에서 바로 사용가능하다.
그래핀 형성의 속도결정단계 (rate-determine step)의 활성장벽이 낮아 이론상의 그래핀 합성 최저 온도가 100oC에 근접하는 저온공정이다. 표면 확산 장벽이 거의 0에 가까워 균일 합성에 있어서는 최적의 기판으로 예상됐고, 실험적으로 이를 증명했다.
또한, γ-Al2O3 촉매 기판이 나노미터 크기부터 마이크로미터 크기의 그레인을 갖는 그래핀을 맞춤형으로 합성 할 수 있는 기판이라는 것 역시 확인됐다.
특히 성장된 그래핀과의 접착 에너지가 매우 작아 성장된 그래핀 위에 폴리머를 코팅하고 물리적으로 떼어내는 방식으로 최소한의 손상으로 ‘그래핀 스티커’를 얻을 수 있으며, 이를 플렉서블 또는 스트레처블 소자에 바로 응용할 수 있다.
손으로 재단한 그래핀 스티커는 D-형 광섬유에 부착하면, 그래핀의 비선형성 광흡수를 응용한 초고속 펄스 레이저 (femtosecond laser)를 구현할 수 있다. 그래핀 스티커를 활용해 전기 신호로 빛을 제어하는 전광스위치를 개발할 수도 있으며, 이를 활용하면 광통신에 직접 응용할 수 있다. 그래핀 스티커는 패치형 바이오센서, 기체센서, 광센서에도 적용가능하다.
박재현 제1저자인 박사는 “2차원 나노 소재에 대한 일반적 합성 메카니즘을 다양한 정량적 활성화 에너지를 바탕으로 도출된 식으로 표현했으며, 이러한 활성화 에너지 값들이 2차원 소재 성장에 어떠한 영향을 미치느냐를 잘 보여주는 실질적인 해석의 틀을 제공했다”며 “새로운 2차원 나노 소재 합성에 있어 고려해야할 매우 중요한 판단의 근거를 제공해 줄 수 있을 것”이라고 밝혔다.
이번 연구는 KIST의 차세대반도체연구소 융합사업의 지원으로 수행됐으며, Scientific Reports에 ‘Growth, Quantitative Growth Analysis, and Applications of Graphene on γ-Al2O3 catalysts’ (DOI: 10.1038/screp11839)라는 제목으로 3일 게재됐다.
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