대면적 단결정 구리 박막 형성 메커니즘 (기초과학연구원 제공) 2020.05.28. / 뉴스1

기초과학연구원(IBS)은 다차원 탄소재료 연구단 펑딩 울산과학기술원(UNIST) 특훈교수 연구팀이 중국, 스위스 연구진과 함께 고성능 2차원 소재 합성에 쓰이는 금속 기판의 표면을 다양화하는데 성공했다고 28일 밝혔다. 이번 연구 성과로 고성능 2차원 소재 생산과 연구·개발에 속도가 붙을 전망이다.  

2차원 소재는 원자들이 하나의 원자 정도 두께를 가지고 평면 모양의 결정을 가진 물질로 탄소만으로 이뤄진 그래핀이 대표적이다. 실제로는 원자 1개의 높이를 가진 3차원이지만 물리학 재료공학 등 분야에서는 원자 하나가 가로·세로 평면으로만 결합해 있어 2차원 물질이라 부른다. 2차원 물질은 단결정성과 다결정성으로 구조적 특성에 따라 구분할 수 있다. 규칙적인 배열과 방향성을 가지는 단결정성 물질은 열·전기 전도도가 좋고 내구성도 좋은 경우가 많아 고성능 기기 소재로 주목받고 있다. 문제는 2차원 단결정을 대면적으로 불량률이 낮도록 양산하기 어려운 경우가 많다는 것이다.

이같은 2차원 단결정 소재를 합성하는 방법중 하나는 금속박막(기판)을 이용하는 것이다. 연구팀은 2019년 5월 금속 박막 기판이 2차원 물질을 대면적으로 합성할 때 유용하다는 연구를 낸 바 있다. 금속 기판의 구조적 특징에 따라 만들어지는 2차원 소재의 구조를 결정할 수 있다는 내용이었다.

파편(시드)이 부착된 다결정 구리에 어닐링 과정을 거치면, 시드 주변의 결정들이 파편과 동일한 패턴으로 재배열하며 서서히 단결정으로 변화한다. 그림은시뮬레이션을 통해 다결정성 구리박막이 대면적 단결정으로 변화하는 과정을 분석한 내용 (기초과학연구원 제공) 2020.05.28. / 뉴스1

이번 연구결과는 그에 대한 후속 연구로 연구진은 금속 박막의 구조를 다양하게 만들어낼 수 있는 방법과 대면적(39×21㎠) 단결정 구리박막 합성법을 제시했다. 구리 단결정을 절단하여 원하는 패턴을 가진 파편(시드,seed)를 얻은 다음, 파편을 구리 다결정에 붙인뒤 구리의 녹는점에 가까운 고온(1020℃)에서 수 시간 동안 어닐링(annealing)시켰다. 어닐링은 금속을 특정 온도에 노출시켰다 급속 냉각하고 다시 같은 온도에 노출시키는 일을 반복해 금속 박막 안의 원자들을 재배열 시키는 기법이다. 연구진은 이같은 과정을 통해 파편 주변의 결정이 파편과 동일한 패턴으로 재배열되고 점점 넓은 범위로 확장돼 박막 전체에 걸쳐 동일한 패턴을 갖는 단결정으로 변하는 현상을 확인했다.

이번에 개발된 기술을 활용하면 다양한 표면의 규칙성(패턴)의 금속 박막을 대면적으로 합성할 수 있다. 이에 따라 기판 선택의 폭이 넓어져 다양한 종류의 고성능 2차원 소재 합성이 가능하게 될 것으로 기대된다.

펑딩 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.

이번 연구는 펑딩 교수가 공동 교신저자로, 지첸 동 IBS 다차원 탄소재료 연구단 연구위원 등이 공동저자로 참여했으며, 논문은 학술지 네이처(Nature)에 게재됐다.


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