[THE People-신소재 연구 부문] 세종대학교 그래핀연구소 천승현 교수
[THE People-신소재 연구 부문] 세종대학교 그래핀연구소 천승현 교수
  • 이정원 기자
  • 승인 2014.07.24 13:32
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[이슈메이커=이정원 기자]


삶의 질을 향상시킬 그래핀 연구에 매진할 터

획기적인 그래핀 직성장 개발을 발판삼아 진일보 할 것 




2004년 인류가 발견한 최초의 2차원 물질인 ‘그래핀(Graphene)’은 새로운 시대의 도래를 선언했다. 기존의 탄소나노튜브를 뛰어넘는 꿈의 물질이라고도 불리는 이 물질은 0.2nm으로 두께가 매우 얇으면서 강도는 강철의 200배 이상, 전기 전도성은 반도체로 주로 쓰이는 실리콘의 100배 이상에 달한다. 그럼에도 탄성이 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않아 차세대 신소재로 각광받고 있다. 




그래핀 성장 절차 생략 통해 실용화 가능성 앞당겨

  그래핀 발견 이후 10년간 국내외의 수많은 학계와 기업들이 그래핀 연구에 뛰어든 결과, 어느 정도 가시적인 성과들이 나타나고 있다. 세종대 그래핀연구소(소장 물리학과 홍석륜 교수)는 지난 2010년 3월 교내 특성화사업 공모를 거쳐 설립되었다. 같은 해 9월에 대학특성화를 위한 한국연구재단의 이공분야 중점연구소사업에 선정돼 9년간 국비 지원을 받게 되면서 본격적으로 그래핀 연구를 해오고 있다. 그래핀연구소의 천승현 교수(물리학과)는 지난 2월 서울대 재료공학과 윤의준 교수팀과의 공동연구를 통해 그래핀을 LED기판 위에 직접 성장시키는 ‘그래핀 직성장 기술’을 개발해 특허를 출원했으며, 관련 연구논문이 나노분야 세계적 권위지인 ‘ACS Nano’에 게재되기도 했다.

  그래핀을 성장시킬 때는 구리 기판을 주로 사용하는데, 구리 기판에 1000°C의 고온을 가하면서 메탄을 주입하면 그래핀이 그 위에 성장을 하게 된다. 구리는 전기가 잘 통하므로 그래핀을 다른 전자 소자로 사용하기 위해 실리콘 기판으로 옮기게 되며, 이 때 성장, 전사, 미세공정 등의 단계를 거치게 된다. 그래핀 자체가 매우 얇은 소재이며 고온과 여러 절차를 거쳐야 하는 어려움이 있기 때문에 그동안은 실용화가 어려웠던 것이 사실이다. 이를 극복하기 위해 각계에서는 관련된 기술을 개발하는데 중점을 두고 있다.

  천 교수는 이렇게 복잡한 그래핀 성장 공정을 생략하고 한 번에 원하는 모양의 그래핀을 원하는 기판 위에 만드는 기술을 연구했다. 그 결과 ‘플라즈마 CVD’라는 장비를 이용해 500~600°C의 낮은 온도에서 그래핀을 원하는 기판 위에 직접 성장시키는 연구에 성공했다. 낮은 온도에서 성장한 그래핀이기에 품질이 약간 떨어진다는 단점은 있었지만 번거로운 공정을 생략하고 한 번에 성장시킨다는 큰 장점이 있었다. 실제 LED연구를 하던 서울대 윤의진 교수팀과의 공동연구를 통해 LED기판 위에 직접 그래핀을 성장시킨 후, 구리 기판에서 성장시켜 공정을 거쳐 옮긴 그래핀과 비교해 보니 LED기판에서 직성장한 그래핀이 월등하게 좋은 효율을 보였다. 2007년부터 그래핀 연구를 해온 천 교수는 “앞으로 그래핀은 기존 탄소나노튜브의 응용을 넘어 전자소자와 전기차용 전지, 방열판, 센서, 터치스크린, 플렉서블 디스플레이뿐만 아니라 저전력, 초고속소자까지도 다양하게 응용될 것입니다”라고 전하며 그 중심에 그래핀연구소가 있어 자부심을 느낀다고 소회를 밝혔다.



▲그래핀 직접 성장 기술 개발에 중요한 역할을 한 ‘플라즈마 CVD’


인류의 삶의 질 향상을 위한 새로운 물질 연구에 집중할 것

  이공분야 중점연구소로 선정된 지 5년차에 접어드는 세종대 그래핀연구소는 국가적 지원을 통해 교수, 학생, 장비 등의 부족했던 인프라가 충족되어 이제 막 성과가 나오기 시작한 단계이다. 갖춰진 인프라를 바탕으로 연구소 본래 목표였던 ‘그래핀 나노소자’뿐만 아니라 그래핀을 활용한 기존에 없던 새로운 디자인과 소자 창조를 향해 전진하고 있다. 기존에 없던 새로운 소재는 천 교수가 항상 관심을 가져 온 분야이다. 그래핀 역시 2000년대 초반만 해도 인류가 모르던 물질이었지만 지금은 많은 연구가 이루어지고 있다. 그래핀 연구를 시작하기 전에도 그는 고온 초전도체, 초거대 자기저항, 자성반도체를 연구해왔으며 각 물질들 모두가 그 당시 이슈가 되었던 물질이다.

  천 교수는 현재 그래핀 연구와 함께 ‘위상절연체’의 연구를 병행하고 있다. 위상절연체는 도체와 절연체의 특징을 동시에 가진다. 그가 ‘제3의 전도체’라고 명명하는 이 물질은 3차원 물질이지만 전기적으로는 2차원의 성질을 띠는, 그래핀보다 훨씬 흥미로운 물질이다. 그래핀은 하나지만 위상절연체의 특징을 가지는 물질은 지금도 한 달에 하나 꼴로 발견되고 있다. 차원이 다른 물리를 할 수 있는 이 물질을 비정질 위에 성장시키는 연구를 통해 작년 10월 국제 학술지인 ‘Nanoscale’에 논문이 게재되기도 했다. 위상절연체는 시료를 만들어내기가 쉽지 않은 분야라 이론적인 연구에 비해 실험적으로는 많은 연구가 이뤄지지 않고 있다. 그렇기 때문에 천 교수는 이 분야의 연구에 경쟁력과 자부심을 가지고 임하고 있다.

  천 교수는 반도체와 같은 새로운 물질들이 문명의 이기를 가져다 준 것처럼 새로운 성질의 물질들은 인류에게 또 다른 이익을 가져다 줄 것이라고 전망했다. 그리고 그런 일에 앞장서 나가는 것이 기초과학도라고 덧붙였다. “앞으로 기초 과학 분야에 학생들과 신진 연구 인력들이 많이 와서 지원도 받고 연구를 해나가며 보람을 찾을 수 있었으면 좋겠습니다”라며 바람을 전하는 세종대 그래핀연구소의 천승현 교수. 그의 연구를 통해 제2의, 제3의 반도체와 같은 혁신적인 물질이 탄생해 우리 삶의 질 향상의 교두보 역할을 하기를 기대해본다. 




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