기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단(단장 : 로드니 루오프) 펑딩 그룹리더(UNIST 특훈교수) 연구팀은 중국, 스위스 연구진과 함께 그래핀과 같은 고성능 2차원 소재 합성을 위한 금속 기판의 표면 패턴을 다양화하는데 성공하였다.

2차원 단결정 소재^* 합성에 필요한 단결정 금속 박막은 패턴의 종류가 한정적이었는데, IBS와 공동연구진이 이번에 30여 종의 다양한 표면 패턴을 가진 단결정 금속 박막을 대면적(39×21㎠)으로 합성한 것이다.
* 원자의 배열과 배향이 규칙적인 소재로 열․전기 전도도가 우수하여, 높은 성능을 내는 전자기기 소재로 사용.

과학기술정보통신부(장관 최기영)와 IBS(원장 노도영)는 이번 연구 성과가 세계 최고 권위의 학술지 네이처(Nature, IF 43.070)誌 온라인 판에 5월 28일 0시(한국시간) 게재되었다고 밝혔다.

공동연구진은 소재 제조에 사용되는 금속 기판이 단결정 소재 대면적화의 열쇠를 쥐고 있음을 증명하여 지난해 네이처에 논문을 발표한 바 있다(‘19.05.23). 기판의 밀러 지수^*에 따라 합성하는 소재의 배향이 달라진다는 것이다. 이번에는 더 나아가 다양한 밀러 지수를 갖는 금속기판을 합성할 수 있는 방법을 제시했다.
* 금속 기판의 패턴을 표현하는 지수로, 수직인 방향을 (hkl)이라는 지수로 표현한다. 이번 연구에서 고 밀러 지수는 지수 값이 각각 1을 넘는 것을 의미한다.

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)^*시켰다. 이때 파편 주변의 결정들은 파편과 동일한 패턴으로 재배열되고, 점점 넓은 범위로 확장된다. 결과적으로 박막 전체에 걸쳐 동일한 패턴을 갖는 단결정으로 변화하게 된다.
* 금속이나 유리를 일정한 온도로 가열한 다음 천천히 식혀 내부 조직을 고르게 하며 물성을 변화시키는 과정.

개발된 기술을 활용하면 다양한 표면 패턴의 금속 박막을 대면적으로 합성할 수 있다. 기판 선택의 폭이 넓어진 만큼, 향후 적절한 기판을 골라 합성하고자 하는 소재의 배향을 조절하며 원하는 물성을 가진 고성능 2차원 소재 합성을 가능하게 할 것으로 기대된다.

연구진은 이번 연구에 쓰인 구리, 니켈뿐만 아니라 다양한 금속을 대면적 단결정 금속 박막의 형태로 제조할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 단결정 금속 박막 응용의 폭을 더욱 넓힌 것이다.

펑딩 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 의미를 밝혔다.

그림설명

▲ [그림 1] 고 밀러 지수를 갖는 대면적 단결정 구리 박막의 모습공동연구진은 기존에는 합성이 어려웠던 고 밀러 지수의 단결정 박막을 대면적으로 합성했다. 이 연구에서 고 밀러 지수는 각 지수의 값이 1을 넘는 것을 의미한다.

▲ [그림 2] 고 밀러 지수를 갖는 대면적 단결정 구리 박막 형성 메커니즘다결정 구리를 산화 및 어닐링 과정으로 단결정화시키는 과정(stage 1), 얻은 단결정을 원하는 표면 패턴을 가진 파편으로 절단하여 얻은 뒤, 다결정 구리 박막에 부착해 어닐링 과정을 거쳐 파편과 동일한 패턴으로 단결정화시킨다(stage 2).

▲ [그림 3] 고 밀러지수를 갖는 구리 박막의 시드 성장과정파편(시드)이 부착된 다결정 구리에 어닐링 과정을 거치면, 시드 주변의 결정들이 파편과 동일한 패턴으로 재배열하며 서서히 단결정으로 변화한다. 이를 통해 얻은 대면적의 단결정 구리 박막은 시드와 같은 표면 지수를 갖는다(a). (b)는 분자 동역학(Molecular Dynamics) 시뮬레이션을 통해 다결정성 구리박막이 대면적 단결정으로 변화하는 과정을 분석한 결과이다.