부엌에서 흔히 볼 수 있는 '쿠킹호일'은 알루미늄 금속을 얇게 펴 둘둘 말아 만든 재료다. 제조사마다 다르지만 일반적으로 길이 10m 포일이 1000원 꼴로 저렴하다. 하지만 같은 금속이라도 원자의 배열에 따라 그 값어치는 천차만별로 달라진다.

▲ 다결정 금속(왼쪽)과 단결정 금속(오른쪽)의 차이.
금속 전체에 시료가 규칙적으로 배열된 단결정과 달리 다결정 금속은 배향이 서로 다른 단결정이 함께 구성된 상태다.

재료 전체에서 원자가 규칙적으로 배열된 상태를 단결정, 배향이 서로 다른 단결정들이 함께 구성된 재료를 다결정이라고 말한다. 단결정 금속은 다결정 금속에 비해 표면 특성이 균일하고, 전기전도도가 우수하다는 장점이 있지만 제조비용이 비싸 일부 분야에만 제한적으로 사용됐다.

로드니 루오프 IBS 다차원 탄소재료 연구단장이 이끄는 연구팀은 기존보다 1000배 저렴하게 단결정 금속 포일을 제조할 수 있는 '무접촉 열처리(Contact-free annealing)' 기술을 개발했다.

▲ IBS 다차원 탄소재료 연구단 연구진.

기존에는 단결정 금속 제작을 위해 '벌크 결정 성장(Bulk Crystal Growth)'이란 방법이 사용됐다. 벌크 결정 성장은 작은 결정 입자를 금속 용융액에 넣었다 빼며 주변에 입자들이 붙게 해 단결정 금속을 제조하는 방법이다. 하지만 온도, 습도 등 제조환경에 민감하고, 결정 성장 속도를 조절하는 것 역시 까다로워 제조비용이 비싸다는 한계가 있었다.

연구진이 개발한 '무접촉 열처리'는 수소 대기 환경에서 다결정 금속 포일을 공중에 매단 뒤, 녹는점에 가까운 고온 열처리를 하는 것만으로 손쉽게 단결정 금속 포일을 제조할 수 있다. 다결정 금속 포일의 여러 결정 중 가장 표면에너지가 낮은 결정이 빠르게 성장하며, 이웃한 다른 결정을 잠식하고, 결국엔 포일 전체를 단결정으로 만드는 과정이다.

▲ 단결정 금속 포일의 제조과정.
공중에 매단 상태에서 녹는점에 가까운 열을 가하는 것만으로 손쉽게 단결정 금속 포일로 변환시킬 수 있다.

무엇보다 이 기술은 상용화된 값싼 다결정 금속 포일을 고부가가치의 단결정 금속 포일로 변환시킨다는 점이 핵심이다. 구리를 놓고 봤을 때, 다결정 구리 포일의 가격은 1㎠ 당 38원 수준이지만, 단결정 구리 포일은 동일 면적에 18만 원 수준으로 가격 면에서 큰 차이가 있다.

연구진은 무접촉 열처리를 이용해 최대 면적 32㎠의 대면적 단결정 구리 포일을 제조하는 데 성공했다. 제작된 단결정 구리 포일은 원료로 사용된 다결정 구리 포일에 비해 전기저항이 7%가량 낮은 우수한 전기적 특성을 나타냈다. 이어 연구진은 구리보다 녹는점이 높은 니켈, 코발트, 백금, 팔라듐 등 다양한 단결정 금속 포일을 대면적으로 제조하는 데도 성공했다.

▲ 연구진은 녹는점이 1083℃로 비교적 낮은 구리는 물론,
이보다 녹는점이 높은 다양한 금속으로 단결정 포일을 제조했다.

이번 연구성과는 제조비용을 대폭 절감해, 단결정 금속의 상용화에 기여할 것으로 평가된다. 이뿐 아니라 단결정 그래핀을 촉매로 사용해 '꿈의 신소재'로 불리는 단결정 그래핀 등 차세대 전자소재 개발을 견인할 수 있을 것으로 기대된다. 연구진은 이번 연구에서 제조한 단결정 금속 포일을 기판으로 이용해, 그 표면에 단결정 그래핀 등 다양한 2차원 물질을 합성해 그 가능성을 보여줬다.

로드니 루오프 단장은 "실리콘 단결정 성장 기술의 발견이 현재 반도체의 역사를 연 것처럼, 이번에 개발된 기술이 여러 분야에 응용돼 세상을 바꿔나갈 것으로 기대한다"고 말했다.

연구결과는 최고 권위의 국제학술지 '사이언스(Science, IF 41.058)' 10월 19일자에 실렸다.

IBS 커뮤니케이션팀
권예슬