한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전소재연구단 송용원 박사 연구팀은 나노소재의 합성에 적용이 가능한 2차원 나노소재의 합성 메커니즘을 수학적으로 유도했으며 이를 정량적으로 규명했다고 밝혔다.
이번 연구는 2차원 나노소재 개발에 큰 도움이 될 것으로 보인다. 나노소재의 합성환경, 촉매 기판, 전구체를 함수로 넣어 최종적으로 합성할 2차원 소재의 정량적 형태를 정확히 예측할 수 있다.
이전에는 2차원 소재를 합성할 때 실질적·정량적으로 어떻게 만들어지는가에 대한 메커니즘이 규명된 연구가 없었다. 따라서 그동안의 연구는 한시적·산발적 성과에 그치는 경우가 많았다. 합성형태에 따른 정확한 공식이 없어 합성결과물을 예측할 수 없던 탓이었다. 결국 연구결과들 간의 상호상승효과(synergistic effect) 또한 극대화되지 못했다.
연구진은 2차원 나노소재의 합성 메커니즘을 수학적으로 유도하고 그래핀을 이용해 이를 증명했다고 밝혔다. 연구진은 비금속 절연기판소재인 γ-Al2O3(감마상의 알루미나)기판을 그래핀 합성을 위한 촉매이자 기판으로 개발·응용해 그래핀을 금속촉매없이 직접 절연기판 위에 합성하는데 성공했다.
메커니즘으로 예상한 그래핀 합성결과와 실제 그래핀의 합성결과는 저온공정, 고온공정, γ-Al2O3촉매 절연기판, 전이금속촉매 기판 모두에서 정확히 일치했다.
연구진은 또한 이렇게 γ-Al2O3기판 상에 합성된 그래핀은 추가적인 금속촉매 제거공정 없이 바로 사용할 수 있을 뿐만 아니라 기존의 구리와 니켈촉매를 사용하여 합성된 그래핀보다 우수한 특성들을 가진다는 것을 증명했다.
제1저자인 박재현 박사는 “2차원 나노소재에 대한 일반적 합성 메커니즘을 다양한 정량적 활성화 에너지를 바탕으로 도출된 식으로 표현했으며 이러한 활성화 에너지값들이 2차원 소재 합성에 어떠한 영향을 미치느냐를 잘 보여주는 실질적인 해석의 틀을 제공했다”라며 “새로운 2차원 나노소재 합성에 있어 고려해야할 매우 중요한 판단의 근거를 제공해 줄 수 있을 것”이라고 밝혔다.
이번 연구는 KIST의 차세대반도체연구소 융합사업의 지원으로 수행됐다. 해당 논문은 Scientific Reports지에 “Growth, Quantitative Growth Analysis, and Applications of Graphene on γ-Al2O3 catalysts”(DOI: 10.1038/screp11839)라는 제목으로 7월3일 게재되었다.