로드니 루오프 특훈교수 연구팀
단결정 그래핀 열처리 공정 개발
UNIST는 로드니 루오프 자연과학부 특훈교수(IBS 다차원 탄소재료 연구단장)가 이끄는 연구팀이 단결정 그래핀(탄소 원자 한 층으로 이뤄진 이차원 물질)을 사용한 열처리 공정으로 흑연 결정이 나란하게 정렬된 ‘고품질 흑연’을 제조했다고 6일 밝혔다.
흑연을 포함한 대부분 재료는 다결정 구조를 가지는데 이런 다결정 재료는 결정들이 만나는 경계면에 결함이 존재해 물질 고유 특성이 저하된다.
자연상태의 흑연과 인조 흑연도 다결정 구조이며, 아직 대면적 단결정 흑연을 만드는 기술은 개발되지 못했다. 단결정에 가까운 ‘고배향성 열분해 흑연(HOPG)’은 있지만 제조비가 비싸다.
연구진은 화학기상증착법(CVD)으로 성장시킨 단결정 그래핀을 흑연 재료가 될 탄소 기반 물질 내부에 위치시키고 높은 온도로 열처리 했다. 그 결과 뜨거운 열 때문에 다른 물질은 사라지고 탄소만 남아 흑연으로 변하는 탄화와 흑연화가 진행됐다.
그래핀 단결정이 열처리 과정에서 일종의 ‘템플릿(Template)’ 같은 역할을 한 것인데, 고온에서 무질서하게 배열됐던 탄소 원자들은 그래핀의 완벽한 육각형 구조를 복사해 재배열 됐다. 열처리 온도가 더 높아지자 그래핀 단결정의 템플릿 효과가 더 커졌다. 아직 흑연으로 만들어지지 않은 탄소 원자들도 그래핀 주변의 고배향성 흑연의 영향을 받아 전체적으로 비슷한 결정 방향을 가지게 됐다.
현재 대면적 단결정 흑연 합성은 도전적인 과제로 이번 연구는 이를 위한 선행기술로서의 의미가 있다.
루오프 교수는 “흑연의 수많은 응용 분야와 수요를 감안했을 때 품질이 좋은 대면적 단결정 흑연 필름은 중요한 기술이다”며 “지금까지 작은 조각 형태로 제조됐던 흑연을 대면적 필름 형태로 더 나아가 단결정으로 합성하게 되면 산업에도 기여할 것으로 전망된다”고 말했다.
이번 연구결과는 재료 분야 국제 학술지인 머티리얼즈 호라이즌스 1월24일자로 게재됐다. 연구 수행은 기초과학연구원(IBS)의 지원으로 이뤄졌다.
김봉출기자 kbc78@ksilbo.co.kr