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2차원 고성능 소재 합성 위한 기판 다양화

‘시드 성장’과 ‘어닐링’ 병합 … 30여 종의 표면 패턴 가진 단결정 금속 박막 대면적 제작

그래핀 등 2차원 소재를 합성할 때 ‘틀’ 역할을 하는 단결정 금속박막을 다양화할 수 있는 기술이 개발됐다. 기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 펑딩 그룹리더 팀은 30여 종의 다양한 표면패턴을 가진 단결정 금속 박막을 대면적으로 합성하는데 성공했다.

연구진이 합성한 단결정 구리(112) 기판의 모습. 연구진은 가로 39cm, 세로 21cm의 대면적 박막을 합성했다.
▲ 연구진이 합성한 단결정 구리(112) 기판의 모습. 연구진은 가로 39cm, 세로 21cm의 대면적 박막을 합성했다.

다차원 탄소재료 연구단은 2019년 5월 국제학술지 ‘네이처(Nature)’에 상용화가 가능한 수준의 넓은 면적을 가진 2차원 단결정 소재를 합성하기 위해서는 금속 기판의 선택이 중요하다는 연구결과를 발표한 바 있다. 주형으로 사용되는 금속 기판의 표면 패턴에 따라 합성되는 2차원 소재의 배열 방향과 단결정 또는 다결정성이 결정된다는 것이다.

하지만 지금까지는 금속 기판의 패턴 종류가 한정적이고 대면적 제작도 어려워 이를 이용해 합성할 수 있는 2차원 소재의 종류와 물성에도 한계가 있었다. 연구진은 ‘시드 성장’과 ‘어닐링’이라는 두 가지 기술을 병합해 이 문제를 해결했다. 이를 통해 30여 종류의 표면 패턴을 가진 금속박막을 A4 용지보다 큰 가로 39cm, 세로 21cm의 대면적으로 합성했다.

연구진은 다결정 구리 포일을 산화 시킨 뒤, 어닐링 과정을 거쳐 단결정 구리 박막을 제조했다(stage 1). 이후 단결정 구리를 원하는 패턴을 갖는 단면으로 절단해 구리 파편(시드)을 얻은 뒤 다결정 구리 박막에 부착했다. 구리의 녹는점에 가까운 고온에서 수 시간 동안 어닐링을 거치면, 파편 근처의 결정들이 재배열하며 구리 파편과 동일한 패턴을 갖는 대면적 단결정이 제조된다(stage 2).
▲ 연구진은 다결정 구리 포일을 산화 시킨 뒤, 어닐링 과정을 거쳐 단결정 구리 박막을 제조했다(stage 1). 이후 단결정 구리를 원하는 패턴을 갖는 단면으로 절단해 구리 파편(시드)을 얻은 뒤 다결정 구리 박막에 부착했다. 구리의 녹는점에 가까운 고온에서 수 시간 동안 어닐링을 거치면, 파편 근처의 결정들이 재배열하며 구리 파편과 동일한 패턴을 갖는 대면적 단결정이 제조된다(stage 2).

개발된 기술을 활용하면 다양한 표면 패턴을 가진 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 금속 박막의 형태로 제조할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

펑딩 그룹리더는 “다양한 결정면을 가진 대면적 단결정 금속박막의 제작은 재료 과학 분야의 오랜 숙원과제였다”며 “이번 연구를 통해 단결정 금속 박막 응용의 폭을 더욱 넓힐 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구결과는 ‘네이처(Nature)’ 5월 28일자에 게재됐다.

IBS 커뮤니케이션팀
권예슬

Center for Multidimensional Carbon Materials (다차원 탄소재료 연구단)

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    최종수정일 2019-12-17 14:32