[투데이에너지 장성혁 기자] UNIST 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 다차원탄소재료 연구단이 단일층·이중층 그래핀에 기능기를 추가할 수 있는 새로운 방법을 개발해 다이아몬드 박막 합성에 한걸음 다가섰다.
그래핀으로부터 다이아몬드 박막을 합성하기 위해서는 그래핀의 층간 결합을 유도해야 하나 상태가 매우 안정돼 있어 다른 원자와의 반응을 이끌기가 어려웠다. 연구단은 이중층 그래핀에 기능기를 추가하는데 성공해 박막 소재의 화학적 반응경로를 규명했다.
이 방법은 그래핀 외 2차원 물질에도 적용이 가능해 물성전환으로 새로운 특성을 갖는 2차원 물질을 개발할 수 있는 가능성도 제시했다는 점에서 주목된다.
그래핀에 새로운 기능기를 추가하는 것은 그래핀의 화학적, 물리적 성질에 변화를 줄 뿐만 아니라 새로운 2차원 소재 개발에 중요하다. 보통은 기체나 액체상태의 반응물을 그래핀과 반응시키는데 주로 단일층 그래핀의 반응이 많이 이뤄졌다.
이중층 그래핀은 층간 반응을 유도할 수 있어 단일층 그래핀보다 다양한 물성전환이 가능하지만 낮은 화학적 반응성을 극복해야 하는 문제가 있었다. 연구진은 환원성을 띄는 알칼리 금속 용액을 활용해 그래핀을 전자가 풍부한 환원상태로 만들어 상온에서도 유기할로겐 분자와 쉽게 반응이 일어날 수 있도록 했다.
또한 여태껏 분명하지 않았던 이중층 그래핀의 반응기작을 규명하기 위해 그래핀의 위, 아래층을 각각 다른 탄소 동위원소로 표지함으로써 모두 반응에 참여한 것을 밝혀냈다. 시뮬레이션 결과 이중층 그래핀이 단일층 그래핀보다 반응성이 떨어지기만 생성물이 반응물보다 에너지가 낮아 적절한 반응환경에서 반응이 일어날 수 있다는 것을 증명한 것.
이번 연구를 이끈 루오프 단장(UNIST 특훈교수)은 “그래핀이 촉매, 센서, 발색단과 같은 다양한 범위의 기능성 물질들과 용이하게 결합할 수 있음을 규명한 것”이라며 “그래핀으로 다이아몬드 박막을 합성할 수 있게 되면 반도체적 특성이나 광학적 특성을 가질 수도 있고 바이오 센서나 고강도 코팅에도 이용될 수 있어 그래핀의 응용범위를 확장하는데 크게 기여할 것”이라고 연구 의미를 전했다.
한편 그래핀은 인공적으로 만든 물질 중 가장 얇지만 강도가 높고 전도도가 뛰어나 꿈의 나노물질로 주목받고 있는 차세대 2차원 물질이다.
