기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 로드니 루오프 단장(UNIST 특훈교수) 연구팀이 신형준 UNIST 교수, 유원종 성균관대 교수와 공동으로 값싼 상용 다결정 금속 포일로부터 고부가가치의 단결정¹⁾ 금속 포일을 손쉽게 제조할 수 있는 기술을 개발했다.

• 단결정 금속 포일은 다결정 금속 포일에 비해 표면 특성이 균일하고 전기전도도가 우수한 장점이 있지만, 제조비용이 비싸고, 대면적 제작이 어렵다는 한계로 일부 분야에만 제한적으로 사용되었다.
• 연구팀은 이번에 '무접촉 열처리'라는 새로운 제조 공정을 개발해 기존 보다 1/1,000 낮은 제조비용으로 최대 32㎠의 대면적 단결정 금속 포일을 제조하는 데 성공했다.
• 과학기술정보통신부(장관 유영민)와 IBS(원장 김두철)는 이번 연구 성과가 Science(IF 41.058)誌 온라인 판에 10월 19일 3시(한국시간)에 게재되었다고 밝혔다.

이번에 개발된 무접촉 열처리 기술은 다결정 금속 포일을 공중에 매단 상태에서, 수소 대기 하에 고온의 열을 가하는 것만으로 손쉽게 단결정 금속 포일을 제조할 수 있는 공정이다.

• 이 기술로 제조한 단결정 구리 포일²⁾은 원재료로 사용된 다결정 구리 포일에 비해 전기저항이 7% 가량 낮은 우수한 전기적 특성을 나타냈다.
• 또한, 연구진은 무접촉 열처리로 제작한 단결정 금속 포일을 기판으로 사용해서 다결정에 비해 전기적‧열적으로 성능이 우수한 단결정 그래핀을 성장시키는 데도 성공하였다.

이번에 개발된 공정은 단결정 금속의 제조비용을 대폭 절감해서 단결정 금속의 상용화에 기여할 것으로 평가된다. 뿐만 아니라 단결정 그래핀을 촉매로 사용해 '꿈의 신소재'로 불리는 단결정 그래핀 등 차세대 전자소재 개발을 견인할 수 있을 것으로 기대된다.

• 로드니 루오프 단장은 "구리, 니켈, 코발트, 백금 등 다양한 금속들을 손쉽게 단결정으로 전환할 수 있음을 증명했다"며 "실리콘 단결정 성장 기술의 발견이 현재 반도체의 역사를 연 것처럼 다양한 분야에 응용돼 세상을 바꿔나갈 것으로 기대한다."고 말했다.

그림설명

▲ [그림 1] IBS 다차원 탄소재료 연구단 연구진로드니 루오프 IBS 다차원 탄소재료 연구단장(뒷줄 오른쪽 두 번째, 교신저자) 연구팀은 손쉽게 싸게 단결정 금속 포일을 제조하는 기술을 개발했다고 '사이언스' 10월 19일자에 발표했다.

▲ [그림 2] IBS 다차원 탄소재료 연구단 연구진로드니 루오프 IBS 다차원 탄소재료 연구단장(왼쪽 다섯번째) 연구팀이 울산과학기술원(UNIST) 캠퍼스 앞에서 기념사진을 촬영하고 있다.

▲ [그림 3] 무접촉 열처리를 이용한 단결정 구리 포일 제작상용 다결정 구리 포일을 석영 거치대에 매단 상태에서 수소 대기 하에 고온의 열을 가해 손쉽게 단결정 구리 포일을 제조했다(위 그림). 제조된 단결정 구리 포일을 후방산란전자회절(EBSD)으로 분석한 결과 포일 전체에 걸쳐 균일한 파란색 이미지가 나타났다. 이는 포일 전체가 하나의 결정 방위만을 가지는 단결정이라는 것을 의미한다.

▲ [그림 4] 비접촉 열처리에 따른 구리 금속 포일의 조직 변화초기 결정립(보라색)에서 표면에너지가 낮은 결정립(파란색)이 나타나며, 이는 주변 다른 결정립들을 빠른 속도로 잠식하며 크게 성장한다. 최종적으로 포일 전체가 하나의 결정립으로 이뤄진 단결정 상태가 된다.

▲ [그림 5] 컴퓨터 시뮬레이션으로 관찰한 단결정 금속 포일 제조 과정무접촉 열처리를 통한 단결정 금속 포일 제조 과정을 컴퓨터 시뮬레이션으로 관찰한 모습. 상대적으로 불규칙적인 배열을 갖던 격자(맨 왼쪽)는 무접촉 열처리 과정에서 점차 규칙적으로 변하며 표면에너지를 낮춘다(맨 오른쪽).

▲ [그림 6] 다결정 금속 포일과 단결정 금속 포일의 비교다결정 금속 포일(왼쪽)은 여러 개의 결정립으로 이뤄져 광학 현미경으로 관찰했을 때 표면에 결정립계(결정의 경계)가 관찰된다. 이와 달리 하나의 결정립으로 이뤄진 단결정 금속 포일(오른쪽)은 결정립계가 관찰되지 않는다.