박막 소재 화학 반응 경로 규명
그래핀 외 2차원 물질에 적용
새로운 소재 개발 가능성 제시
국내 연구진이 이중층 그래핀으로 다이아몬드 박막 합성 가능성을 높였다.
이로써 그래핀으로 다이아몬드 박막을 합성할 수 있을 경우 바이오 센서나 고강도 코팅에도 이용되는 등 그래핀의 응용범위가 확장될 것으로 보인다.
UNIST 특훈교수인 로드니 루오프 기초과학연구원(IBS) 다차원탄소재료 연구단장은 단일층·이중층 그래핀에 기능기를 추가할 수 있는 새로운 방법을 개발해 다이아몬드 박막 합성에 한걸음 다가섰다고 29일 밝혔다.
연구진에 따르면 그래핀이 다이아몬드 박막을 합성하기 위해서는 그래핀의 층간 결합을 유도해야 하는데, 이를 위해 에너지적으로 안정해 반응을 유도하기 어려웠던 이중층 그래핀에 기능기를 추가하는데 성공해 박막 소재의 화학적 반응경로를 규명했다는 데 의의가 크다.
또 이 방법은 그래핀 외에 2차원 물질에도 적용이 가능해 물성전환으로 새로운 특성을 갖는 2차원 물질을 개발할 수 있는 가능성도 제시했다.
그래핀에 새로운 기능기를 추가하는 것은 그래핀의 화학적, 물리적 성질에 변화를 줄 뿐만 아니라 새로운 2차원 소재의 개발에 중요한 단계이다.
지금까지는 주로 단일층 그래핀이 기체나 액체상태의 반응물과 반응시켜 다른 종류의 원자나 유기물과 결합시켰다.
반면 이중층 그래핀은 층간 반응을 유도할 수 있어 단일층 그래핀보다 다양한 물성전환이 가능하다. 하지만 이중층 그래핀은 다른 원자가 결합하기 힘든 안정된 상태여서 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. 또 지금까지 분명하지 않았던 이중층 그래핀의 반응기작을 규명하기 위해 그래핀의 위, 아래층을 각각 다른 탄소 동위원소로 표지해 위층과 아래층 그래핀이 모두 반응해 참여했음을 밝혀냈다.
루오프 UNIST 특훈교수는 “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 이용할 수 있어 그래핀의 응용범위를 확장하는데 크게 기여할 것”이라고 말했다.
연구결과는 과학저널 미화학학회지 온라인판에 3월 13일 게재됐다.