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Research

비틀림 적층 그래핀 구조의 광학 및 전기적 특성 규명

  • 조회. 274
  • 등록일. 2020.07.14
  • 작성자. 홍보팀

DGIST 김현민 박사팀, 2차원 탄소 구조체인 그래핀 이층 구조체비틀림 정도에 따른 다양한 광학 및 전기적 특성 규명
다양한 2차원 물질에서의 비틀림 효과에 대한 예측 방향 제시 기여

 

관련사진1. 바이오융합연구부 김현민 박사(좌), 아몰 님발카르 박사(우)
▲ 바이오융합연구부 김현민 박사(좌), 아몰 님발카르 박사(우)


 DGIST는 바이오융합연구부 김현민 박사팀이 2차원 탄소 구조체인 적층 그래핀의 비틀림 정도에 따른 빛과 전장 및 자기파에 대한 상호작용의 변화 메카니즘을 규명한 리뷰를 발표했다.   

 그래핀은 2005년 간단한 기계적 탈착에 의해 안정화된 구조가 얻어질 수 있는 특성이 처음 밝혀진 후로 많은 연구가 진행되어 왔다. 특히 원자단위의 구조체가 발휘하는 우수한 자발적 전기적 특성과 근접 물질에도 특별한 전도성 및 광물성을 부과하는 특성으로 그 중요성을 인정받아 5년 만에 노벨상이 주어지기도 했다.

 이후에도 그래핀에 대한 관심과 연구는 다양한 분야에서 계속되었고, 2011년부터 대량생산 가능성이 제시되어 제시 잉크와 도료산업현장에서 실제 쓰이고 있다. 또한, 현재 가장 전도 유망한 발전가능성을 보이는 다양한 전자 소자와 관련한 투명하고 굽혀지는 전극과 디스플레이에의 응용 분야가 연구 중이다. 

 DGIST 바이오융합연구부 김현민 박사팀은 그래핀이 가지고 있는 빠르고 우수한 전자 공급성에 주목하여 다양한 물질과의 물리적 접합을 통해 그 물질들이 그래핀으로부터 부여받은 다양한 라만산란, 형광등의 광학적 특성 변화에 대해 연구역량을 집중해 왔다. 이러한 역량과 경험을 탄소 기반의 2차원 원자층 구조인 그래핀 뿐 아니라 전이금속 원소 기반의 황화물에도 확대하고 있다. 특히, 두 개의 그래핀이 관심 물질을 샌드위치로 덮는 형태의 구조체에 대해 다양한 분광학을 연구하고 있다.

 김현민 책임연구원은 “그래핀 사이에 물질이 없는 이층구조라 하더라도 두 개의 그래핀의 비틀림 정도에 따라서 전기, 물리, 및 화학적 특성이 매우 변한다”며, “이번 논문을 통해 지금까지 밝혀진 비틀림 적층 그래핀 구조체의 제작방법, 전기 및 광학특성에 대해 근 10여 년 간의 비교적 짧은 순간에 이루어진 이론 및 실험상의 연구 요약을 했으며, 후학 연구자들이 쉽게 연구 방향을 파악할 수 있다”고 밝혔다. 또한 “단순히 그래핀 뿐 아니라 다양한 2차원 물질에서의 비틀림 효과에 대해서도 예측 방향을 제시하는 데 기여할 것이다“라고 논문의 의의를 설명했다.

 이번 연구 결과는 아울러 DGIST 바이오융합연구부 아몰 님발카르(Amol Nimbalkar) 박사가 제1저자로 참여했으며, DGIST pre-CoE과제와 한국연구재단의 초점제어기반 초분해능 현미경 개발과제의 지원으로 나노관련 신흥학술지인 나노-마이크로 레터스(Nano-Micro Letters)에 6월 13일 게재됐다.

 

 

     연구결과개요  

Opportunities and Challenges in Twisted Bilayer Graphene: A Review
Amol Nimbalkar and Hyunmin Kim
(Nano-Micro Letters, June 13th, 2020) 

2차원 물질은 벌크형태의 물질보다 향상된 물리, 화학, 전기, 및 광학적 특성을 보여준다. 특별히 탄소로만 구성된 그래핀은 특별한 구조의 안정성과 연관되어 다른 2차원 물질과 구분되며 그 중에서도 2층으로 구성된 비틀림 이층그래핀 (twisted bilayer graphene: tBLG)의 경우 단순히 두 층간의 각도의 컨트롤에 의해 많은 특성변화를 유발하여 꾸준히 과학자들의 관심을 받아왔다. 특별히, 2018년에 두 층간의 틀어짐이 1.1도 (magic angle) 정도에서 비틀림 이층그래핀 초격자 구조체에서 초전도성이 발견된 이후로 그 연구의 중요도가 대폭 향상되었으며 그래핀 뿐 아니라 관심이 다른 이차원 재료로의 전이도 활발히 이뤄지고 있다. 이 논문은 이러한 비틀림 이층 그래핀에 대한 제조방법의 발전과 다양한 물리 화학적 특성 변화에 따른 연구결과를 카테고리별로 리뷰하고 있다.   DOI 10.1007/s40820-020-00464-8

 

     연구결과문답  

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
현재 이층으로 된 그래핀 구조의 비틀림에 의한 전기 광학적 특성 개선에 관한 연구가 본격적으로 시작된 것이 10년 남짓하여 그에 관한 리뷰페이퍼 역시 보고된 것이 드문 상태입니다. 2018년에 MIT 연구그룹에서 마법 각도 (magic angle: 1.1도) 부근에서 초전도 현상이 보이는 것을 밝힌후 비틀림 이층 그래핀 연구에 대한 관심이 폭발하였고 현재 좀 더 쉽고 정교한 각도 제어방법 및 다른 종류의 물질로의 확대등 관련 연구가 매우 활발하여 본 논문이 이러한 연구들에 좋은 방향성을 제시한다고 판단됩니다. 

Q. 어디에 쓸 수 있나?
비틀림 이층 그래핀 구조체를 원자층 단위의 초전도 물질 개발과 모아레(Moiré) 프린지를 이용한 광학계수 및 전도성 조절 등에 적용할 수 있습니다. 따라서, 지금까지의 연구 결과가 체계적으로 정리된 리뷰지를 참고할 수 있다면 이러한 연구 동향을 파악하고 후속 연구를 진행하는 데 있어서 큰 도움을 줄 수 있을 것이라 생각합니다. 

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?
결국은 이러한 좋은 특성을 실제 초전도 소자 제작에서 쓰기 위해서는 현재 고가의 얼라인 장비를 통해서만 얻을 수 있는 매직앵글을 어떻게 쉽게 얻을 수 있는 가에 달려 있다고 판단됩니다. 

Q. 연구를 시작한 계기는?
2018년에 초전도 현상이 발견된 지금까지 다양한 비틀림 이층 그래핀 구조체에 대한 연구가 발표되었습니다. 하지만 많은 관심도와 짧은 기간 동안의 폭발적인 결과 보고와는 달리 광학과 전기적 특성의 변화를 쉽게 정리한 리뷰페이퍼의 숫자는 손에 꼽을 정도여서  개별적인 연구 결과를 찾아서 연구 동향을 파악하고 참고해야했습니다. 따라서 이에 관련된 연구 결과를 모아서 지금까지의 연구 결과들을 체계적으로 정리하고 분류한 리뷰지가 있다면 앞으로의 비틀림 이층 그래핀 구조체에 대한 연구를 하는데 있어 큰 도움이 될 것이라는 생각이 들었습니다. 

Q. 어떤 의미가 있는가?
지금까지 발표된 각도 조절 그래핀 이층 구조체에 대한 연구 논문을 모두 찾아서 합성법, 광학 및 전기적 특성 별로 분류하고 라만 분광의 각도별 변화를 통해 카테고리에 따라 분류하였습니다. 특히, 최근에 관심도가 높은 초전도 관련 연구가 연구 결과를 통해 맨 마지막에 배치하여 집중도를 높혔고 다른 물질로의 응용성을 추가적으로 논의하였습니다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
무엇보다도 가능하다면 두 층의 쉬운 각도 조절법을 개발하고 싶습니다. 또한, 앞으로 다양한 입사파의 파장 및 페이즈 형태에 따른 연구를 통해 어떠한 메커니즘으로 전자구조가 변화하는 가를 이론과 접목시켜 밝혀내고 현존하는 다른 2차원 물질로의 적용을 원활하게 하고자 합니다. 

 

      그림 설명  


[그림 1] 비틀림 적층 그래핀의 다양한 물리적 화학적 특성 모식도

비틀림 적층 그래핀의 다양한 물리적 화학적 특성 모식도

비틀림 각도에 따른 이층그래핀 구조체의 다양한 광학적 특성의 변화와 이에 연관된 물리·화학적 역동성 관찰.

 

 

DGIST Scholar Researcher Page Banner(Kor)_2

 

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