기초과학연구원 "대면적 필름 형태 제조 기반"
(대전=연합뉴스) 이재림 기자 = 기초과학연구원(IBS)은 로드니 루오프 다차원 탄소재료 연구단장(울산과학기술원 자연과학부 특훈교수) 연구팀은 신태주 울산과기원 연구지원본부장과 함께 단결정 그래핀을 사용한 고품질 흑연 제조법을 새롭게 제시했다고 6일 밝혔다.
흑연은 다결정 구조를 가진다.
각각 다른 원자 배열을 가진 작은 결정이 연결돼 하나의 물질을 이룬 형태다.
다결정 재료는 결정이 만나는 경계면에 흠이 존재한다.
이 때문에 물질 고유의 특성도 낮아진다.
흑연은 철강, 반도체, 태양광 소재 등으로 광범위하게 쓰인다.
전기적 특성이 우수한 데다 고온에 잘 견디기 때문이다. 비교적 가격도 저렴하다.
흑연 성능은 곧 제품 성능으로 직결되는 터라 고품질 흑연을 만드는 건 산업계 관심사다.
연구팀은 화학기상증착법으로 성장시킨 단결정 그래핀을 흑연 재료가 되는 탄소 기반 물질 내부에 뒀다.
이후 높은 온도로 열처리하자 탄화와 흑연화가 일어났다.
뜨거운 열 때문에 다른 물질은 사라지고 탄소만 남아 흑연으로 변한다고 연구팀은 설명했다.
이때 단결정 그래핀에 가까운 영역에서부터 고배향성을 가진 고품질 흑연이 형성했다.
IBS 벤저민 커닝 연구위원은 "그래핀 단결정은 열처리 과정에서 일종의 밑판 역할을 했다"며 "고온에서 무질서하게 배열돼 있던 탄소 원자가 완벽한 육각형 구조를 복사해 재배열하는 것"이라고 말했다.
연구팀은 열처리 온도를 높인 경우엔 그 효과가 더 커졌다고 덧붙였다.
아직 흑연으로 만들어지지 않은 탄소 원자도 그래핀 주변 고배향성 흑연 영향을 받아 전체적으로 비슷한 결정 방향을 가지게 됐다.
연구팀은 이를 결정 그래핀부터 시작된 '도미노 현상'으로 비유했다.
루오프 단장은 "흑연의 수많은 응용 분야와 수요를 고려했을 때 품질이 좋은 대면적 단결정 흑연 필름은 중요한 기술"이라며 "지금까지 작은 조각 형태로 제조됐던 흑연을 대면적 필름 형태로, 단결정으로 합성하면 산업 전반에 도움이 될 것으로 본다"고 강조했다.
성과를 담은 논문은 지난달 24일 영국왕립화학회의 재료 분야 권위지 '머티리얼즈 호라이즌스'(Materials Horizons)에 실렸다.
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