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중국과학기술대학 차오전화(喬振華) 교수 연구팀은 최근 난징(南京)대학 먀오펑(繆峰), 왕버건(王伯根) 교수 연구팀과 공동 연구를 실행하여 멀티 레이어 그래핀 압전 효과(Multilayer Graphene piezoelectric effect) 연구 분야에서 혁신적인 성과를 취득하여 이슈가 되고 있다. 

연구팀은 최초로 관련 실험을 통해 그래핀 재료 시스템 속에서의 긍정적인 압전 효과(Positive piezoelectric effect)를 관찰하였으며 이론 상에서 멀티 레이어 구조 내부 층 간의 상호 역할이 그래핀 재료 시스템 속에서 발휘하는 긍정적인 압전 효과에 대해 뚜렷한 기여를 한다는 점을 제시하였다. 

연구팀의 관련 연구 성과는 과학전문지인 ‘네이처’의 자매지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 9월 11일 온라인 판에 실렸다. 중국과학기술대학 차오전화(喬振華) 교수 연구팀의 박사 과정에 있는 연구인원 왕커워이(王科爲)가 공동 제1저자이다. 

그래핀은 단일 원자 레이어 탄소 재료로서 지난 2004년도에 Geim과 Novoselov 2명의 과학자가 최초로 ‘기계 박리 방법(Mechanical stripping method)’을 이용하여 취득하였다. 이로 인해 최초로 2차원 시스템에서 2차원 재료 연구를 실행하는 시대를 열어 놓게 되었다. 그래핀은 매우 우수한 역학, 전기학, 자기학 특성을 보유하고 있기 때문에 응집물질물리 분야에서 많은 물리학자들의 주의력을 신속하게 흡인하였다. 

그 중, 그래핀의 우수한 탄성은 역학 방식으로 하여금 일종 효과적인 조정 제어 수단으로 되게끔 하여 여러 가지 과학연구 성과들을 취득할 수 있도록 하였다. 예를 들면, 과학자들은 관련 실험을 통해 응력으로 인해 나타나는 300테슬라에 달하는 의사 자기장(Pseudo-magnetic field)을 관측하였다. 더욱 많은 이론들은 “응력으로 인해 발생하는 양자 홀 효과, 초전도 등은 한층 더 확정해야 할 실험 검증을 거쳐야 할 것”이라고 예언하고 있다. 

그 외, “어떻게 역학 방법을 통해 전자 전송 특성을 제어할 것인가”라는 과제도 이론 및 실험 상에서 더욱 심층적인 연구를 실행해야 하는 상황에 직면하여 있다. 과학자들은 기존의 연구를 통해 이미 단일 레이어 그래핀이 네거티브 압전 효과(Negative electrical effects)를 실현한다는 점을 발견한 상황이다. 

차오전화(喬振華) 교수 연구팀은 공동 연구를 통해 더블 레이어 그래핀, 멀티 레이어 그래핀은 단일 레이어 그래핀과 달리 긍정적인 압전 전기전도 효과를 실현할 수 있다는 점을 발견하였다. 

외부 응력 하에서 단일 레이어 그래핀 속의 탄소 원자 간격은 확대되고 가까운 주변의 이전 에너지는 감소되기 때문에 전자 페르미 속도가 늦어지게 되는 동시에 전기전도 감소가 발생되어 네거티브 압전 효과를 생성시키게 된다. 

멀티 레이어 그래핀 속에서 외부 응력은 면(面) 내 탄소 원자 간격을 확대시키는 동시에 그래핀의 레이어 간격을 감소시켜 레이어 간의 탄소 원자 간 이전 에너지를 증가시키게끔 한다. 더욱 중요한 점은 레이어 간 상호 역할이 도입한 격자 점 위치 에너지에 대해 수정을 실행할 수 있다는 점이다. 

이런 수정은 압축 영역 내 페르미 면 변화를 발생시키며 전기전도 루트를 증가시켜 전기전도로 인해 생성되는 긍정적인 압전 전기전도 효과를 확대시키는 것으로 나타났다. 실험과 이론 결합을 통해 레이어 간 상호 역할이 직관의 물리 현상을 위반하는 상황을 해석하였다. 

연구팀은 이번 연구를 통해 그래핀 시스템의 역학, 전기학 특성에 대해 심층적인 해석을 실행하였을 뿐만 아니라 나노 기계 전기 시스템과 플렉시블 전자 디바이스 속에서 그래핀 시스템의 응용을 추진하였다. 

이번 연구는 국가자연과학기금위원회의 ‘기초과학 연구 프로젝트’ 비용, 중국과학원의 ‘백인계획(百人計劃)’ 프로그램 비용, 중국 정부의 ‘청년 천인계획(千人計劃)’ 프로그램 비용, 국가교육부의 ‘2011 계획’ 프로젝트 비용, 안후이성(安徽省) 자연과학기금위원회의 ‘기초과학 연구 프로젝트’ 비용 지원을 받아 실행되었다. 


그림 1. 멀티 레이어 그래핀 압전 효과 응용 연구에서 취득한 혁신적인 성과 

KISTI 미리안 글로벌동향브리핑 2015-09-29






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