기능기는 공통된 화학 특성을 가진 한 무리의 유기화합물에서 특성의 원인이 되는 공통된 원자단 결합방식을 칭한다. 그래핀에 새로운 기능기를 추가하는 것은 그래핀의 화학적, 물리적 성질에 변화를 줄 뿐만 아니라 새로운 2차원 소재의 개발에 중요한 단계다.
지금까지는 단일층 그래핀 반응이 많이 이뤄졌으며, 이중층 그래핀은 층간 반응을 유도할 수 있어 다양한 물성전환이 가능하지만, 다른 원자가 결합하기 힘든 안정된 상태로 낮은 화학적 반응성을 극복해야 하는 문제가 있다.
연구팀은 이를 해결하려 환원성을 가진 알칼리 금속 용액을 사용해 그래핀을 전자가 풍부한 환원 상태로 만들어 상온에서도 유기할로겐 분자와 반응이 일어나도록 했다. 특히 지금까지 분명치 않았던 이중층 그래핀의 반응기작을 규명하려 그래핀의 위, 아래층을 각각 다른 탄소 동위원소로 표지해 위층과 아래층 그래핀 모두가 반응하는 것을 밝혀냈다.
이어 이 같은 방법으로 이미 기능기가 추가된 그래핀이 다른 분자와 추가적인 화학반응도 가능한 것을 확인해 기존에 반응하기 어려웠던 분자와 결합이 가능해져 그래핀의 물성개선에 다양하고 보편적으로 적용될 수 있는 화학적 통로를 제시했다.
루오프 단장은 “이번 실험은 그래핀이 촉매와 센서, 발색단과 같은 다양한 범위에서 기능성 물질과 쉽게 결합할 수 있는 것을 의미한다”며 “그래핀으로 다이아몬드 박막을 합성할 수 있게 되면 반도체적 특성이나 광학적 특성을 가질 수 있고, 바이오센서나 고강도 코팅에도 이용될 수 있어 그래핀의 응용범위를 확장하는 데 기여할 것”이라고 말했다. 정재훈 기자 jjh119@cctoday.co.kr