그래핀 영률 측정 방법과 2차원 물질의 정렬된 주름 형성법

Abstract

그래핀에 인위적인 주름을 형성하는 방법은 다양하게 알려져 있다. 이 논문에서는 Polymethyl methacrylate(PMMA)와 Polydimethylsiloxane(PDMS)을 활용하여 기존의 방법들보다 간단하고 경제적인 방식으로 균일한 주름을 형성하는 과정을 소개한다. 서로 다른 고분자물질의 박막-기판의 다층 구조에서 유리 전이온도 이상의 열을 가하면, 열팽창 계수의 차이로 인해 냉각 과정에서 박막에 주름이 형성된다. 이때 각 물질의 영률과 박막의 두께에 따라 주름의 크기를 조절할 수 있으며, 이 PMMA 박막에 그래핀이 전사되면 그래핀 역시 PMMA를 따라 주름을 형성하게 된다. 형성된 그래핀 주름은 라만 스펙트럼분석과 원자간력 현미경을 통해 확인하였다. 또한 기판의 모양을 통해 위 방법으로 형성된 그래핀의 주름을 원하는 형태로 정렬할 수 있다. 기판과 박막의 수축 과정에서 발생한 응력은 단면의 넓이에 반비례하므로, 이를 활용하면 형성되는 주름을 정렬할 수 있다. 이렇게 그래핀에 정렬된 주름을 형성하는 것은 그래핀 자체의 응용에도 큰 도움이 될 것으로 예상되며, 앞으로 배터리, 센서, 그래핀 소자 등 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것이다. 한편 그래핀의 유무에 대한 박막에서 형성된 주름의 크기를 비교하면 그 차이를 이용해 박막의 유효 영률값을 구할 수 있다. 이때 측정된 그래핀/PMMA박막의 유효 영률값의 크기를 통해 그래핀의 영률을 계산할 수 있는데, 이 방법을 통해 측정된 그래핀의 영률값은 기존에 다양한 방법으로 예상되어 온 그래핀의 영률과 일치한다. 이처럼 간단한 방법으로 그래핀의 영률을 정확하게 측정할 수 있다는 것은, 기존에 그래핀 뿐만 아니라 2차원 물질의 물성을 측정하는데 어려움을 겪고 있던 상황을 해결할 수 있는 대안이 되어줄 것이다.