응력 조절을 통해 형성되는 그래핀 박막 주름에 관한 연구

Abstract

그래핀은 탄소의 sp2 결합으로 이루어진 단원자 층 2차원(2D) 나노물질로써, 화학적으로 안정하고 우수한 열적, 기계적, 전기적 특성을 나타내어 오랫동안 많은 연구가 진행되었으며 최근에는 다양한 광전소자 및 트랜지스터에 응용되고 있다. 하지만 그래핀의 성장이나 전사하는 과정에서 표면에 굴곡 또는 주름 등의 의도하지 않은 결함이 형성된다. 일반적으로 이러한 결함 형성을 최소화하기 위한 다양한 시도가 진행되고 있으나, 한편으로는 이러한 주름이 재료에 긍정적인 변화를 가져오는 것이 밝혀지면서 최근 주름의 활용 가능성에 대해 주목을 받고 있다. 이에 따라 주름을 의도적으로 생성하고 제어하려는 다양한 접근법이 개발되었지만, 주름의 개별적인 위치와 방향을 정확하게 제어하는 것은 여전히 어려운 과제로 남아있다.

본 연구에서는 벽지를 도배하거나 다림질을 할 때 주름이 펴지거나 형성되는 과정에서 영감을 받아, 그래핀에서 무작위로 형성되는 주름을 밀어내 원하는 위치와 방향으로 형성할 수 있는 새로운 방법을 탐구했다. 그래핀의 주름 형성을 제어하기 위해 그래핀 기반의 박막에 일정한 간격으로 구멍을 배열, 식각했다. 식각된 구멍으로 액체의 유입과 방출을 통해 박막을 밀어내는 응력을 조절했다. 제한된 액체의 흐름을 통해 굴곡이 형성된 박막을 만들어내고 최종적으로 그래핀 주름을 인위적으로 형성했다. 이 방법으로 형성된 주름을 주사전자미경법(scanning electron microscopy, SEM), 원자현미경법(atomic force microscope, AFM), Raman 분광법 등의 분석을 통하여 확인했다. 그래핀 주름은 배열된 구멍 사이에 폭 300-500 nm, 높이 10-20 nm의 직선으로 형성되며, 주름으로 둘러싸인 영역은 주름 형성이 억제되어 평면을 이루는 것을 관찰했다. 본 연구에서 제시된 방식은 매우 간단하게 주름을 만들어낼 수 있으며 그래핀 뿐만 아니라 원자 수준의 얇은 2차원 소재를 포함한 다양한 유형의 박막 재료에 적용되어 응용될 수 있을 것으로 기대된다.