물과 얼음의 차이처럼 물질은 차원에 따라 서로 다른 성질을 나타낸다. 흑연 덩어리(3차원)에서 탄소원자 한 층을 떼어 만든 2차원 그래핀이 대표적인 사례다. 그래핀은 흑연과 달리 강철보다 200배 강하고, 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통해 '꿈의 신소재'라는 별명을 얻었다.

▲ 그래핀(사진)은 탄소 원자들이 육각형 격자를 이룬 형태인 2차원 물질이다. 이번 연구에서 제작된 육방정계 질화붕소는 붕소(B)와 질소(N) 원자가 육각형을 이룬 물질로, 그 분자구조가 그래핀과 유사하지만 하얀색을 띄어 '화이트 그래핀'으로도 불린다. (출처: Flickr)

2004년 그래핀의 등장 이후, 과학계엔 '제 2의 꿈의 신소재'가 될 여러 2차원 소재들이 보고됐다. 하지만 지금까지 그래핀을 제외하고 지금까지 이들 물질을 상용화에 충분한 크기로 제작한 사례는 없다.

펑딩 기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 그룹리더 팀은 중국, 스위스 연구진과 공동으로 어떤 2차원 물질도 대면적으로 합성할 수 있는 '합성공식'을 찾아냈다. 또, '화이트 그래핀'으로도 불리는 부도체 물질인 육방정계 질화붕소(h-BN)를 기존보다 1만 배 큰 100㎠의 대면적으로 제작하는 데도 성공했다.

▲ 이번 연구를 이끈 펑딩 IBS 다차원 탄소재료 연구단 그룹리더(왼쪽)와 레이닝 장 연구원의 모습(오른쪽).

이번 연구를 이끈 펑딩 그룹리더는 탄소재료를 분석하고, 시뮬레이션을 통해 신물질 합성방식을 도출하는 등 이론분야에서 명성이 높은 연구자다. 이번 연구에서는 이론적 연구를 통해 2차원 대면적 단결정 소재 합성의 열쇠는 제조에 사용되는 기판이 쥐고 있음을 증명했다. 기판의 표면 대칭성이 합성하고자 하는 물질보다 낮아야 2차원 물질 속 원자의 배열과 배향을 흩뜨리지 않고 단결정 형태로 제작이 가능하다는 의미다.

이에 착안해 연구진은 표면 대칭성을 낮춘 구리 기판을 제작하고, 이 위에서 2차원 단결정 육방정계 질화붕소를 성장시켰다. 그 결과 가로·세로 10cm의 2차원 대면적 단결정 육방정계 질화붕소를 제작할 수 있었다. 기존 수㎟ 크기로 제작하는 것이 한계였던 것에 비해 1만 배가량 크기를 키운 것이다.

▲ 연구진이 제조한 단결정 육방정계 질화붕소를 각종 분석 장비로 관찰한 모습. 원자의 배열이 규칙적이고 배향이 일정한 단결정의 형태로 제작돼 더 우수한 물성을 가짐이 확인됐다.

이번 연구로 대면적 제작 기술의 한계로 인해 상용화가 어려웠던 우수한 2차원 소재를 산업계에 적용할 수 있는 길이 열렸다. 펑딩 그룹리더는 "2차원 소재는 그 자체로도 우수하지만 여러 소재를 층층이 쌓아 함께 사용했을 때 시너지 효과를 낸다"며 "실리콘 이후 차세대 반도체 시장의 문을 연 것으로, 지금껏 상상하지 못했던 새로운 물성을 가진 전자기기를 구현하는 데 기여할 것"이라고 말했다.

IBS 커뮤니케이션팀
권예슬