세종대 김근수 교수 연구팀

세종대 김근수 교수 연구팀이 ‘꿈의 신소재’로 불리는 그래핀 표면의 새로운 특성을 밝혀내는 데 성공했다. 김 교수는 19일 “그래핀을 합성하면서 미량의 불순물을 주입할 경우 그래핀의 전기적, 광학적 성질이 변하는 것을 시각적으로 규명했다.”고 밝혔다.

연구는 김필립 미국 컬럼비아대 교수팀과 공동으로 진행됐다. 연구 결과는 과학학술지 ‘사이언스’ 최신호에 게재됐다.

그래핀은 순수하게 탄소로만 만들어진 물질로 두께가 원자 한 개 정도에 불과한 대표적인 나노 소재다. 전자의 이동속도가 무한대에 가깝고, 강도는 강철보다 200배 이상 높아 반도체를 대체할 유력한 차세대 소재다. 상용화되면 태양전지, 전자소자뿐만 아니라 구부러지는 디스플레이 패널과 입는 컴퓨터 등에 활용할 수 있기 때문에 삼성전자를 비롯, 글로벌 기업들의 연구가 활발하다. 지난해에는 그래핀을 처음으로 분리해 낸 안드레 가임 영국 맨체스터대 교수와 콘스탄틴 노보셀로프 교수가 노벨 물리학상을 받기도 했다.

그러나 지금까지 그래핀은 워낙 두께가 얇은 탓에 제조나 가공이 쉽지 않았고, 그래핀에 특성을 부여하기 위해 불순물을 첨가할 경우 전기적, 광학적 기능을 조절하고 향상시키는 방법을 찾지 못했다. 김 교수팀은 자체적으로 개발한 ‘화학 기상 증착법’(CVD)으로 그래핀을 합성하면서 질소원자가 함유된 암모니아 가스를 주입해 그래핀 표면에 질소를 첨가(도핑)했다.

이어 전자현미경의 일종인 주사터널현미경(STM)과 전기적 측정을 이용해 그래핀의 표면을 살폈다.

그 결과 도핑 과정에서 질소원자가 그래핀의 탄소원자와 자리를 바꾸거나 깨진 구조에 스며드는 형태 등을 관찰하는 데 성공했다.

김 교수는 “그래핀 표면에서 일어나는 전자구조의 변화나 결합 에너지의 힘 등을 구체적으로 측정해 냈다.”면서 “그래핀을 이용해 태양전지의 음극과 양극을 만들거나 디스플레이 패널을 제조할 때 필수적인 도핑 기술을 개발하는 데 큰 도움이 될 것”이라고 설명했다.

박건형기자 kitsch@seoul.co.kr