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광학현미경으로 그래핀 조각 경계....

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글쓴이 최고관리자 등록일 12-10-12 11:11
조회 2,315
    "수십억 투과전자현미경 없이 경계면 관측 가능"
     
    국내 연구진이 그래핀 조각의 경계면과 크기 분포를 일반 광학현미경으로 관찰할 수 있는 방법을 개발했다.

    성균관대 이영희 교수가 주도하고 딘 록 듀옹, 한강희 박사과정생(제1저자)과 표준연 이승미 박사가 참여한 연구팀은 여러 조각의 그래핀을 합성할 때 아래에 받치는 구리기판을 선택적으로 산화시켜, 그래핀 조각 경계면의 분포를 일반 광학현미경(해상도 1마이크로미터)으로 관찰하는데 성공했다.



    탄소원자 단일층의 육각형 벌집구조로 이뤄진 그래핀은 2004년 영국의 가임 교수와 노보셀로프 교수(2010년 노벨물리학상 수상)가 발견한 이래, 전도성과 전하이동도가 높고 향후 응용 가능성이 많아 '꿈의 신소재'로 불리면서 전 세계적으로 활발히 연구되고 있다.

    그동안 연구자들은 대면적 그래핀을 합성하는데 성공해 그래핀을 이용해 ▲터치스크린 ▲투명전도전극 ▲고속전자소자 등 다양한 응용소자를 개발했다.

    그래핀으로 응용연구를 할 경우 반드시 그래핀 조각들을 모아서 대면적 그래핀을 만드는데, 이 조각들이 만드는 경계면의 전기저항이 연구자들이 예상했던 이론치보다 상대적으로 커서 그래핀을 실용화하는데 큰 걸림돌이었다. 따라서 그래핀 조각들의 경계면의 폭과 크기 분포를 동시에 관측할 수 있는 방법을 개발하는 일이 시급했다.

    그러나 그래핀 조각의 경계면은 탄소원자 오각형과 칠각형의 조합으로 구성돼 그 폭이 1 나노미터(십억분의 1미터) 이하이고, 조각들의 크기는 폭의 수천~수만 배인 수십~수백 마이크로미터(백만분의 1미터)에 이르기 때문에, 경계면과 조각 분포를 동시에 측정할 수 있는 방법이 없었다.

    예를 들면, 투과전자현미경은 해상도가 높아 오각형과 칠각형의 조합으로 구성된 조각들의 경계면 구조를 관찰할 수 있지만, 수십 나노미터 범위만을 볼 수 있어 그래핀 조각 전체의 크기 분포는 볼 수 없었다.

    이영희 교수 연구팀은 우선 습도가 조절된 공기를 자외선에 노출시켜 활성화된 산소와 수분 등(친수성기)으로 그래핀 조각의 경계면을 산화시키고, 더 나아가 경계면에 형성된 칠각형에 침투해 경계면 바로 아래에 있는 구리기판을 선택적으로 산화시킬 수 있다는 사실을 밝혀냈다.

    이 때 금속산화막은 오직 그래핀 조각들의 경계면 주변에만 형성되기 때문에 그래핀 조각들의 경계면 분포도 관측할 수 있게 된다. 연구팀은 이 방법이 수분이 있을 때에만 가능하며, 구리기판의 조각 경계면이나 그래핀의 주름 등으로는 산소와 수분이 확산되지 않는다는 것 또한 발견했다.

    이영희 교수는 "이 연구는 그래핀 조각들의 경계면을 관측하기 위해 꼭 사용해야만 했던 고가의 투과전자현미경을 사용하지 않고, 단순한 저가의 일반 광학현미경을 사용한 기법을 개발해 고가의 장비가 없는 일반 연구자들도 손쉽게 그래핀 특성을 연구할 수 있는 길을 열었다"고 말했다.

    이 교수는 "산업체 생산라인에서도 그래핀을 대량 합성할 때 광학현미경으로 손쉽게 그래핀의 특성을 모니터링할 수 있어 경제적 효과를 거둘 수 있을 것"이라고 덧붙였다.

    이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 WCU육성사업의 지원을 받았으며, 네이처 온라인판 10월 4일자에 게재됐다.
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