꿈의 소재 ‘그래핀’ 다이아몬드 박막 합성 가능성 한걸음

▲ 알칼리금속용액 유기할로겐물 반응과정

IBS, 2개층 그래핀 낮은 반응성 해결

고강도 코팅 등에 활용…

꿈의 소재라 불리는 ‘그래핀’의 다이아몬드 박막 합성 가능성이 커졌다.

그래핀은 인공적으로 만든 물질 중 가장 얇지만, 강도와 전도도가 높은 차세대 2차원 물질이다.

탄소(C)로 만들어진 그래핀은 흑연에서 발견돼 이론적으로 탄소로 구성된 다이아몬드가 될 수 있다.

제어 가능한 반도체성과 우수한 열 전도도를 가진 아주 얇은 다이아몬드 박막(Diamane)은 다양한 분야에 유용하게 적용될 수 있지만, 인공적으로 합성하기에는 한계가 있었다.

기초과학연구원(IBS) 다차원탄소재료연구단 로드니 루오프 단장(UNIST 특훈교수) 연구팀이 단일층ㆍ이중층 그래핀에 기능기(functional group)를 추가할 수 있는 새로운 방법을 개발했다.

다이아몬드 박막 합성에 한걸음 다가선 것이다.

기능기는 공통된 화학적 특성이 있는 무리의 유기화합물에서 각 특성의 원인이 되는 공통된 원자단 결합형식을 말한다.

그래핀에 다이아몬드 박막을 합성하려면 그래핀 층간 결합을 유도해야 한다.

연구팀은 에너지적으로 안정해 반응을 유도하기 어려웠던 이중층 그래핀에 기능기를 추가하는 데 성공했다.

박막 소재의 화학적 반응경로를 규명한 것이다.

또 이 방법은 그래핀 외의 2차원 물질에도 적용이 가능해 물성전환으로 새로운 특성을 갖는 2차원 물질을 개발할 가능성도 제시했다.

지금까지 주로 단일층 그래핀의 반응이 이뤄졌다.

연구진은 환원성을 띄는 알칼리 금속 용액을 활용해 그래핀을 전자가 풍부한 환원상태로 만들어 상온에서도 유기할로겐 분자와 쉽게 반응이 일어날 수 있도록 했다.

또 분명하지 않았던 이중층 그래핀의 반응기작을 규명하고자 그래핀의 위, 아래층을 각각 다른 탄소 동위원소로 표지해 위층과 아래층 그래핀이 모두 반응에 이바지한 것을 증명했다.

루오프 단장은 “이번 실험은 그래핀이 촉매, 센서, 발색단과 같은 다양한 범위의 기능성 물질들과 용이하게 결합할 수 있음을 의미한다”며 “그래핀으로 다이아몬드 박막을 합성할 수 있게 되면 반도체적 특성이나 광학적 특성을 가질 수도 있고 바이오 센서나 고강도 코팅에도 이용될 수도 있어 그래핀의 응용범위를 확장하는데 크게 기여할 것”이라고 설명했다.

이번 연구결과는 지난 13일 ‘과학저널 미화학학회지(Journal of the American Chemical Society)’ 온라인판에 실렸다. 최소망 기자 somangchoi@

▲ 루오프 다차원탄소재료연구단장(UNIST제공)