IBS, A4 용지보다 큰 단결정 금속 기판 제작
고성능 2차원 소재 합성 소재 다양화 성공


기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 펑딩 그룹리더(UNIST 특훈교수) 연구팀이 중국, 스위스 연구진과 함께 그래핀과 같은 고성능 2차원 소재 합성을 위한 금속 기판의 표면 패턴을 다양화하는 데 성공했다.

2차원 단결정 소재는 원자의 배열과 배향이 규칙적인 소재로, 열 및 전기 전도도가 우수하여 고성능 전자기기 소재로 사용된다. 그러나 2차원 단결정 소재 합성에 필요한 단결정 금속 박막 패턴의 종류가 한정적이란 문제가 있었다. 이번 연구로 30여 종의 다양한 표면 패턴을 가진 단결정 금속 박막을 대면적(39×21㎠)으로 합성한 것이다.

공동연구진은 소재 제조에 사용되는 금속 기판이 단결정 소재 대면적화의 열쇠를 쥐고 있음을 증명하여 지난해 5월. 네이처에 논문을 발표한 바 있다. 기판의 밀러 지수(금속 기판의 패턴을 표현하는 지수)에 따라 합성하는 소재의 배향이 달라진다는 것이다.

이번 연구에서는 다양한 밀러 지수를 갖는 금속 기판을 합성하는 방법을 제시했다. 우선, 구리 단결정을 절단하여 원하는 패턴을 가진 파편(시드)을 얻었다. 표면 패턴은 소고기의 마블링처럼 결정을 절단하는 방향에 따라 달라진다.

이어 파편을 구리 다결정에 부착한 뒤, 녹는점에 가까운 고온(1020℃)에서 수 시간 동안 어닐링(annealing; 풀림) 시켰다. 이때 파편 주변의 결정들은 파편과 같은 패턴으로 재배열되고, 점점 넓은 범위로 확장된다. 결과적으로 박막 전체에 걸쳐 같은 패턴을 보인 단결정으로 변화한다.

개발된 기술을 활용하면 다양한 표면 패턴의 금속 박막을 대면적으로 합성할 수 있다. 기판 선택의 폭이 넓어진 만큼, 적절한 기판을 골라 합성하고자 하는 소재의 배향을 조절하며 원하는 물성을 가진 고성능 2차원 소재 합성이 가능해질 것으로 기대된다. 가령 접히거나 휘어지는 기판 등을 제조하여 폴더블폰 등에 활용할 수 있다는 것이다.

연구진은 이번 연구에 쓰인 구리, 니켈뿐만 아니라 다양한 금속을 대면적 단결정 금속 박막의 형태로 제조할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

펑딩 IBS 그룹리더는 “다양한 결정면을 가진 대면적 단결정 금속 박막의 제작은 재료 과학 분야의 오랜 숙원과제였다”라면서, “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 설명했다.

과학기술정보통신부와 IBS는 이번 연구 성과가 네이처(Nature, IF 43.070) 온라인 판에 한국시간으로 5월 28일 0시에 게재되었다고 밝혔다.