알칼리 금속 용액과 유기할로겐물을 이용한 그래핀의 반응과정. 용액상태의 소듐·포타슘 합금은 크라운에테르 분자와 만나면 소듐 음이온을 만들고 이는 그래핀을 전자가 풍부한 환원된 상태로 만들어 준다. 환원상태의 그래핀은 유기할로겐화 분자를 만나면 유기물로 기능기화된 그래핀이 된다.© News1

기초과학연구원(IBS)은 다차원 탄소재료 연구단 로드니 루오프 단장 연구팀이 단일층·이중층 그래핀에 기능기를 추가할 수 있는 새로운 방법을 개발했다고 29일 밝혔다. 이를 통해 앞으로 다이아몬드 박막 합성 등 그래핀의 응용범위가 대폭 확장될 전망이다.

기능기란 공통된 화학적 특성을 가진 한 무리의 유기화합물에서 각 특성의 원인이 되는 공통된 원자단 결합형식을 뜻한다. 그래핀에 새로운 기능기를 추가하는 것은 그래핀의 화학적, 물리적 성질에 변화를 줄 뿐만 아니라 새로운 2차원 소재의 개발에 중요한 단계다. 기체나 액체상태의 반응물을 그래핀과 반응시켜 다른 종류의 원자나 유기물과 결합시키는데, 지금까지는 주로 단일층 그래핀의 반응이 많이 이루어졌다.

이중층 그래핀은 층간 반응을 유도할 수 있어 단일층 그래핀보다 다양한 물성전환이 가능하지만 다른 원자가 결합하기 힘든 안정된 상태이기 때문에 낮은 화학적 반응성을 극복해야 하는 문제가 있었다.

연구진은 환원성을 띄는 알칼리 금속 용액 소듐·포타슘을 활용해 그래핀을 전자가 풍부한 환원상태로 만들어 상온에서도 유기할로겐 분자와 쉽게 반응이 일어날 수 있도록 했다. 그래핀의 결함 구조 등 화학반응 이외의 제어할 수 없는 부분을 최소화하기 위해 흑연으로부터 박리한 높은 결정도를 갖는 단일층·이중층 그래핀으로 실리콘산화물·실리콘 기판상에 전사해 실험을 진행했다.

또 그동안 분명하지 않았던 이중층 그래핀의 반응기작을 규명하기 위해 그래핀의 위, 아래층을 각각 다른 탄소 동위원소로 표지, 위층과 아래층 그래핀이 모두 반응에 참여하였음을 밝혀냈다. 추가적인 시뮬레이션 결과 이중층 그래핀이 단일층 그래핀보다 반응성이 떨어지기는 하지만, 생성물이 반응물보다 에너지가 낮아 적절한 반응환경에서 반응이 일어날 수 있다는 사실을 증명했다.

그래핀이 기존에 반응하기 어려웠던 분자들과도 결합이 가능해 그래핀의 물성개선에 보다 다양하고 보편적으로 적용될 수 있다고 연구진은 설명했다.  

루오프 단장은 “이번 실험은 그래핀이 촉매, 센서, 발색단과 같은 다양한 범위의 기능성 물질들과 용이하게 결합할 수 있음을 의미한다”며 “그래핀으로 다이아몬드 박막을 합성할 수 있게 되면 반도체적 특성이나 광학적 특성을 가질 수도 있고 바이오 센서나 고강도 코팅에도 이용될 수도 있다”고 말했다.  

이번 연구 결과는 과학저널 미화학학회지 3월 13일자 온라인판에 게재됐다.

단일층과 이중층 그래핀 모두 최종 생성물이 초기 반응물보다 에너지가 낮아 기능기 추가가 원활히 일어나는 반응이다. 단일층 그래핀의 경우 이중층 그래핀보다 에너지 장벽이 낮고 생성물의 안정성이 높아 반응이 더 쉽게 일어난다. © News1

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