카이스트 신문사에서 선정한 2011KAIST를 빛낸 연구성과 3가지중 하나로 우리학과 정희태 교수 연구팀의

"액정 코팅으로 넓은 면적의 그래핀을 관찰하다 단결정성 그래핀 연구에 새장 열어" 란 연구가 소개돠었다.

[생명화학공학과] 액정 코팅으로 넓은 면적의 그래핀을 관찰하다 단결정성 그래핀 연구에 새 장 열어

 생명화학공학과 정희태 교수팀이 그래핀의 결정면을 광범위하게 관찰할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했다. 이 연구 결과는 이 분야의 저명한 학술지 <네이처 나노테크놀로지> 11월 20일자 온라인 속보에 게재되었다.

물성이 떨어지는 다결정 그래핀

 그래핀은 흑연의 한 층 한 층을 이루는 얇은 막으로, 탄소 원자가 육각형의 규칙적 구조를 이루는 물질이다. 최근에서야 활발히 연구가 진행되고 있는 그래핀은 ‘꿈의 신소재’라고도 잘 알려져 있는데, 이론적으로 높은 전도성과 탄성력 등의 우수한 성질을 띠기 때문이다. 하지만 현재 생산되는 그래핀은 이론적 예상치보다 전기적, 기계적인 물성이 낮다. 이는 그래핀의 결정 방향이 서로 달라 다결정성을 띄기 때문으로 예상된다. 따라서, 양질의 그래핀을 생산하기 위해서는 현재의 다결정성 문제를 해결해야 한다. 이로 인해 그래핀의 결정 영역과 경계를 광범위하게 관찰할 수 있는 기술 연구는 학계의 중요한 현안이었다.

액정 코팅으로 그래핀의 방향을 관찰

 정 교수팀은 전혀 새로운 방법으로 그래핀의 결정 영역을 관측하는 방법을 개발했다. 그래핀에 액정을 코팅한 것이다. 네마틱 액정의 분자구조는 그래핀의 육각 구조와 같은 간격으로 결합하기 때문에 액정 분자는 그래핀의 배향 방향과 같은 방향으로 배열된다. 이때 코팅된 그래핀을 편광 현미경으로 관찰하면 복굴절 현상에 의해 액정 분자체의 배향 방향에 따라 다른 색이 나타난다. 이를 이용하면 그래핀의 결정 방향에 따른 영역을 관찰할 수 있다.

 기존에는 그래핀의 결정 영역을 관찰하기 위해 TEM(투과전자현미경, Transmittance Electron Mi-croscopy), 라만 2D 맵핑(Raman 2D mapping), 저 에너지 전자 회절(Low Energy Microscopy) 등의 방법을 이용해 왔는데, 이러한 방법으로는 극히 좁은 영역의 배향 방향밖에 알아낼 수 없어 연구에 어려움이 컸다. 그러나 이번 연구를 통해 손쉽고 빠르게 결정면을 관찰할 수 있게 되어, 그래핀 연구에 커다란 난점을 넘은 것으로 평가된다.

 정 교수는 “이 연구는 우연찮은 계기로 랩 내의 학생들의 분야가 융합된 결과”라며 연구자 간의 긴밀한 소통이 새로운 연구 성과를 창출할 수 있다고 강조했다.

▲ (좌) 그래핀 결정 위에 같은 방향으로 배향된 액정 분자 (우) 그래핀에 코팅된 액정 분자를 편광 현미경으로 관찰하면 같은 단결정 영역끼리 같은 색으로 관찰할 수 있다