기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 펑딩 그룹리더(UNIST 특훈교수) 연구팀은 중국, 스위스 연구진과 함께 그래핀과 같은 고성능 2차원 소재 합성을 위한 금속 기판의 표면 패턴을 다양화하는 데 성공했습니다. 2차원 단결정 소재 합성에 필요한 단결정 금속 박막은 패턴의 종류가 한정적이었는데요. IBS와 공동연구진이 이번에 30여 종의 다양한 표면 패턴을 가진 단결정 금속 박막을 대면적(39×21㎠)으로 합성한 겁니다. 원자의 배열과 배향이 규칙적인 소재로 열․전기 전도도가 우수하여, 높은 성능을 내는 전자기기 소재로 사용됩니다. 이번 연구는 <Nature>에 게재됐습니다.
다양한 표면 패턴 가진 단결정 금속 박막 만들려면?!
공동 연구진은 소재 제조에 사용되는 금속 기판이 단결정 소재대면적화의 열쇠를 쥐고 있음을 증명해 지난해 <Nature>에 논문을 발표한 바 있습니다. 기판의 밀러 지수에 따라 합성하는 소재의 배향이 달라진다는 겁니다. 이번에는 더 나아가 다양한 밀러 지수를 갖는 금속기판을 합성할 수 있는 방법을 제시했습니다.
참고로 밀러지수는 금속 기판의 패턴을 표현하는 지수로, 수직인 방향을 (hkl)이라는 지수로 표현합니다. 이번 연구에서 고 밀러 지수는 지수 값이 각각 1을 넘는 것을 의미합니다. 우선, 구리 단결정을 절단하여 원하는 패턴을 가진 파편(시드)을 얻었습니다. 표면 패턴은 소고기의 마블링처럼 결정을 절단하는 방향에 따라 달라집니다.
이어 파편을 구리 다결정에 부착한 뒤, 녹는점에 가까운 고온(1020℃)에서 수 시간 동안 어닐링(annealing)시켰습니다. 이는 금속이나 유리를 일정한 온도로 가열한 다음 천천히 식혀 내부 조직을 고르게 하며 물성을 변화시키는 과정입니다.
이때 파편 주변의 결정들은 파편과 동일한 패턴으로 재배열되고, 점점 넓은 범위로 확장됩니다. 결과적으로 박막 전체에 걸쳐 동일한 패턴을 갖는 단결정으로 변화하게 됩니다. 개발된 기술을 활용하면 다양한 표면 패턴의 금속 박막을 대면적으로 합성할 수 있습니다. 기판 선택의 폭이 넓어진 만큼, 향후 적절한 기판을 골라 합성하고자 하는 소재의 배향을 조절하며 원하는 물성을 가진 고성능 2차원 소재 합성을 가능하게 할 것으로 기대됩니다. 연구진은 이번 연구에 쓰인 구리, 니켈뿐만 아니라 다양한 금속을 대면적 단결정 금속 박막의 형태로 제조할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 단결정 금속 박막 응용의 폭을 더욱 넓힌 겁니다.
펑딩 IBS 그룹리더는 "다양한 결정면을 가진 대면적 단결정 금속 박막의 제작은 재료 과학 분야의 오랜 숙원 과제였다"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 밝혔습니다.
##참고자료##
- Muhong Wu et al., "Seeded Growth of Large Single-Crystal Copper Foils with High-Index Facets", Nature(2020)
