초록 ▼

저차원 소재인 그라핀이 등장하면서 과학적 흥미와 더불어 높은 전하이동도와 매우 우수한 광학적 특성을 산업에 응용하려고하는 시도가 전 세계적으로 불붙었다. 본 연구팀은 본 과제를 통해서 그라핀의 우수한 광학적 전기적 특성을 적용하는데 있어서 부딪힐수 있는 다양한 시스템에 대해서 기초연구 및 새로운 기능적 가능성을 발굴하였다. 먼저 우리는 그라핀을 투명전극의 역할과 전이영역을 만드는 이종 계면의 하나로 사용하여 광반응 기능을 발견하였고 이를 태양전지 소자로 응용하고자 하는 연구를 수행하였다. 또한, 그라핀/유기물 계면에 대한 광반응 연

저차원 소재인 그라핀이 등장하면서 과학적 흥미와 더불어 높은 전하이동도와 매우 우수한 광학적 특성을 산업에 응용하려고하는 시도가 전 세계적으로 불붙었다. 본 연구팀은 본 과제를 통해서 그라핀의 우수한 광학적 전기적 특성을 적용하는데 있어서 부딪힐수 있는 다양한 시스템에 대해서 기초연구 및 새로운 기능적 가능성을 발굴하였다. 먼저 우리는 그라핀을 투명전극의 역할과 전이영역을 만드는 이종 계면의 하나로 사용하여 광반응 기능을 발견하였고 이를 태양전지 소자로 응용하고자 하는 연구를 수행하였다. 또한, 그라핀/유기물 계면에 대한 광반응 연구를 확대하여 유기물 기반 태양전지 개발의 경쟁력 확보를 위한 기초자료를 제공하고자 하는 연구를 수행하였다. 소자를 구성하고 이를 이용한 기초연구를 진행하는 동안 전극으로 이용된 전이금속이 그라핀과 화학적 반응을 일으키는 것을 발견하였고 그 메커니즘을 규명하였으며 나아가 이를 응용한 그라핀의 재단기술을 개발하여 특허 출원하였다. 또한 전이금속이 실리콘 산화층의 해리 에너지 장벽을 크게 낮춘다는 사실 또한 새로이 발견하고 보고하였으며 이를 응용한 금속 접촉의 불순물 제거에 대한 기술을 개발하고 특허 출원하였다.
Au가 매개된 그래핀층의 촉매연소반응을 최초로 발견 보고하며 이를 이용하여 그라핀층의 미세 패터닝 및 SiOx층이 제거된 고품질의 Au-Si 금속접촉을 만들 수 있음을 증명하였다. 400℃의 비교적 낮은 온도에서 SiOx층이 해리되며 이때 해리되어 Au 표면으로 공급되는 산소는 그라핀 층의 vacancy 결함 위치에 존재하는 탄소와 결합하여 CO, CO2 형태로 촉매, 해리되는 것을 발견하였다. 이 반응의 결과로 Au 위에 있는 그라핀 층만이 선택적으로 촉매 해리되어 재단되었고 산소의 공급원이었던 SiOx층에서는 산소가 완전히 고갈되어 저항이 매우 낮은 Au-Si 접촉이 형성됨을 발견하였다. 실제 이 기술은 고가의 진공 공정을 통해 SiOx층이 없는 Au-Si 접촉의 접촉 고유저항보다 1/5정도 낮은 고유저항 결과를 보여주었다.
그라핀을 이용한 기초물성연구나 그라핀 기반 응용소자 연구는 Au 접촉 및 SiO층을 포함하는 구조로 제작된다. 이러한 소자에서 hot carrier들의 격자결함과의 비탄성 충돌은 국소적 열원이 되며 그라핀 해리에 관한 본 연구결과는 이러한 조건하에서 그라핀의 파괴 가능성을 직접적으로 보여주어 향후 그라핀 소자의 디자인에 있어서 매우 중요한 정보로 이용될 전망이다.
연구의 후반에는 불소를 함유한 유기물에 x-선을 조사하여 그라핀의 도핑을 유도하고 변화된 전자구조에 대한 중요한 연구가 진행되어졌다. 그라핀 도핑에 대한 연구는 전기전도도 향상 및 일함수 엔지니어링 등의 목적으로 많은 연구가 활발히 진행되고 있다. 그라핀 공정 과정에서 다양한 종류의 폴리머가 응용되고 있으며 이 과정에서 그래핀 표면에 남은 미량의 폴리머가 도핑효과를 나타내어 그래핀의 전기적 특성을 향상시키는 것으로 알려져 이에 대한 연구가 많이 진행되어 왔다. 본 연구에서는 방사광원의 단색화 광자 빔을 조사하여 불소함유 분자의 광-반응을 확인하고 대기 노출 없이 곧 바로 분석을 수행하여 광-반응으로 수반되는 물리-화학적 변화를 x-선 분광법을 이용하여 분석 하였다. 이를 통하여 광자빔 조사전의 di-fluoride molecules (C-F2, O-C-F2)이 모두 mono-fluoride (C-F, O-C-F) 형태로 해리 치환되었음을 확인 할 수 있었다. 이 과정에서 보여지는 그라핀 소자의 도핑 효과는 사실상 매우 큰 di-fluoride가 해리되면서 쌍극자 모멘트가 감소되었기 때문임을 확인할 수 있었다.
소개한 연구 결과와 더불어 관련된 결과들이 11편의 국제 SCI저널 및 특허(2건) 그리고 각종 학회를 통하여 발표 되어졌다.