그래핀 등 '2차원 단결정 소재' 대면적으로 합성한다

공동연구진은 기존에는 합성이 어려웠던 고 밀러 지수의 단결정 박막을 대면적으로 합성했다. 이 연구에서 고 밀러 지수는 각 지수의 값이 1을 넘는 것을 의미한다. 밀러 지수는 금속 기판의 패턴을 표현하는 지수다.

[아시아경제 황준호 기자] 국내 연구진이 플렉시블, 롤러블 전자기기에 쓰이는 2차원 소재의 합성을 위한 금속 기판의 표면 패턴을 다양화 하는데 성공했다. 30여종의 다양한 표면 패턴을 가진 단결정 금속 박막을 대면적으로 합성할 수 있는 기술을 확보해 다양한 패턴을 가진 2차원 소재 개발이 가능해질 것으로 예상된다. 과학기술정보통신부는 기초과학연구원의 다차원 탄소재료 연구단의 펑딩 그룹리더 연구팀의 이같은 내용의 연구결과가 국제 학술지 네이처에 실렸다고 28일 밝혔다.

이번 연구는 그래핀 등 2차원 단결정 소재 제조에 사용되는 금속 기판이 단결정 소재 대면적화의 열쇠를 쥐고 있다는내용의 지난해 연구를 발전시킨 연구다. 연구팀은 기판의 패턴에 다라 합성하는 소재의 배향이 달라진다는 사실을 파악하고 다양한 패턴을 갖는 금속기판을 합성할 수 있는 방법을 제시한 바 있다. 2차원 단결정 소재는 원자의배열과 배향이 규칙적인 소재다. 열이나 전기 전도도가 우수해 높은 성능을 내는 전자기기 소재로 사용된다.

연구팀은 구리 단결정을 절단해 원하는 패턴을 가진 파편(시드)를 얻었다. 이어 구리 다결정에 부착한 뒤 녹는점에 가까운 고온(1020℃)에서 어닐링했다. 어닐링은 일정 온도를 가열한다면 천천히 식혀 내부조직을 고르게 해 물성을 변화시키는 과정을 말한다. 이 결과 파편 주변의결정들은 파편과 동일한 패턴으로 재배열되고, 점차 넓은 범위로 확장하는 것을 관찰했다. 이어 박막전체에 걸쳐 동일한 패턴을 갖는 단결정으로 변화한다는 것을 확인했다.

연구팀은 이 기술을 활용해 다양한 표면 패턴을 가진 금속 박막을 대면적으로 합성할 수 있게 됐다고 밝혔다. 기판의 선택의 폭이 넓어진 만큼 이를 활용해 합성하고자 하는 소재의 배향을 조절해 원하는 물성을 가진 고성능 2차운 소재가 가능해졌다고 봤다.

펑딩 기초과학연구원(IBS) 그룹리더는 "다양한 결정면을 가진 대면적 단결정 금속 박막의 제작은 재료 과학 분야의 오랜 숙원과제였다"며 "이번 연구를 통해 합성된 대면적 단결정 금속 박막은 다양한 단결정 2차원 소재 합성을 위한 주형, 특정 화학 반응만을 선택적으로 일으키는 촉매 등 여러 방면에 사용될 수 있을 것"이라고 밝혔다.

고 밀러 지수를 갖는 대면적 단결정 구리 박막 형성 메커니즘이다.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr