그래핀의 변신, 엠보싱 장착으로 반응성 Up

기판 위에 그래핀 박막을 올린 후 가열해 기판표면에 흡착되어 있던 불순물 분자들을 기화되며 그래핀 안에 갇히어 볼록하게 돌출된 엠보싱 그래핀을 만들었다. 연구진은 라만 분광법을 이용해, 평평한 그래핀 격자에 굴곡이 생기면 탄소 원자간 거리가 늘어나고 장력(tension)이 생기면서 탄소 원자간 결합력이 약해져 화학적 반응성이 높아지는 것을 확인했다. 마치 고무줄을 계속 잡아당기면 양 끝단의 거리가 늘어나고 팽팽해지면서 결국 끊어지게 되듯이, 원자간 결합이 약해지기 때문에 외부 요소에 의한 반응이 일어날 가능성이 높아진다.

추가적으로 연구진은 엠보싱 그래핀의 국소부분을 가열하고 라만분광법으로 측정한 수치를 바탕으로 해당 위치의 온도를 계산값으로 산출해 냈다. 이를 이용해 엠보싱 중심점에서 가장자리로 열이 확산되는 속도를 측정해 그래핀 고유의 특성인 높은 열전도성을 확인했다. 이번 연구 전까지 엠보싱 그래핀 내부의 온도를 측정하는 연구는 거의 없었으며, 열전도도 측정도 복잡한 과정을 수반했다.

더 나아가 연구진은 라만 분광법의 단일 파장 레이저 조사가 엠보싱 그래핀의 온도를 상승시킴에 착안하여, 엠보싱 그래핀의 온도를 제어하는 방법을 알아냈다. 엠보싱 그래핀 위에 레이저 빛을 조사하면 입사광과 반사광이 겹치면서 한정된 공간 안에 갇혀서 제자리에서 진동하는 파동인 정상파가 형성된다.

특히 엠보싱 그래핀 중심점에 조사시 최대 정상파가 형성되어 온도가 가장 높아졌고, 가장자리로 갈수록 정상파 형성이 어려워 온도가 낮아진다. 또한 레이저 빛의 강도에 따라 온도 변화의 폭이 결정됨을 실험적으로 밝혀냈다. 레이저 조사 위치와 빛의 강도에 따라 온도를 자유자재로 제어할 수 있게 된 것이다.

이번 연구를 이끈 루오프 단장은 “이번 연구는 라만분광법만으로 쉽게 그래핀의 높은 열전도성을 확인할 수 있다는 것을 보여주었고, 엠보싱 그래핀 온도 조절을 통해 선택적인 반응이 유도되는 메카니즘에 대한 새로운 시각을 제공한다”며, “또한 엠보싱 그래핀에 대한 물리적 성질을 더 이해한다면, 더욱 다양한 응용처를 찾을 수 있을 것”이라고 말했다.

예를 들어 엠보싱 그래핀에 암모니아 가스를 채워 넣어 반응을 유도하면 열 ‧전기 전도도가 좋고 화학적 반응성도 좋은 질소도핑 그래핀이 제작할 수 있는 초소형 반응기가된다. 또는 엠보싱 부분만 온도를 계속 높여 파열되도록 유도하면 특정 분자만 걸러낼 수 있는 분자체 흔히 분자필터라고 불린다. 주로 생화학, 환경 분야에서 큰 분자와 작은 분자를 함유하는 용액 또는 기체 속 미립자나 분자를 분리하는 데 이용한다. 대기 중 이산화탄소만 선택적으로 제거하거나, 자동차 매연 중 유독가스만 걸러낼 수 있다.

이번 연구결과는 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters, IF=8.462, DOI:10.1103/PhysRevLett.120.186104)에 미국 동부시간으로 5월 3일자에 게재됐다.