IBS 참여 국제 연구진, 금속기판 대면적·단결정化… 네이처 게재
차세대 대형 디스플레이⋅배터리용 고성능 2차원 소재 합성 기대
기초과학연구원(IBS)이 참여한 국제 공동 연구진이 차세대 디스플레이, 배터리 등에 필요한 대면적, 단결정의 2차원 소재를 넓은 면적으로 만들 수 있는 기술을 개발했다.
펑딩 IBS 다차원탄소재료연구단 그룹리더 연구팀은 중국, 스위스 연구진과 함께 고성능 2차원 소재 합성을 위한 금속 기판을 넓은 면적으로 만드는 데 성공했다고 28일 밝혔다. 이번 연구성과는 이날 0시(한국시각) 국제 학술지 네이처(Nature)에 게재됐다.
스마트폰의 디스플레이, 배터리처럼 얆은 전자기기를 만들기 위해서는 전기가 잘 통하고 강도가 높은 2차원 소재가 필요하다. 2차원 소재는 원자 1개 두께(1nm·나노미터)를 가진 얇은 물질이다. 탄소 원자가 평면 육각형 모양으로 배열된 그래핀이 대표적인 2차원 소재이다.
2차원 소재를 만들기 위해서는 거푸집 역할을 하는 얇은 금속기판이 필요하다. 가령 그래핀을 만들기 위해서는 탄소 물질을 가열해 증발시킨 후 적절한 2차원 금속기판에 탄소 원자들이 달라붙게 해야 한다. 금속기판은 달라붙은 탄소 원자들이 서로 육각형 패턴으로 결합할 수 있도록 자신도 그에 맞는 적절한 패턴 구조를 갖고 있다.
하지만 현재 사용되는 금속기판은 크게 두 가지 한계를 갖고 있다. 첫째는 내부 결정 구조가 고르지 못하다는 것이다. 이를 다결정 구조라고 하는데 이것으로 만든 2차원 소재 역시 다결정 구조가 된다. 다결정 구조는 결정이 고른 단결정 구조에 비해 전기전도도와 강도가 낮아 소재로서의 성능이 떨어진다.
둘째는 금속기판의 면적이 작다는 것이다. 이것으로 만든 2차원 소재 역시 면적이 작을 수밖에 없다. 따라서 넓은 면적의 2차원 소재가 필요한 대형 디스플레이나 산업용 배터리에는 사용하지 못한다.
연구진은 이 두 가지 문제를 모두 해결하는 데 성공했다. 연구진은 작은 단결정 금속 조각을 커다란 다결정 금속 덩어리에 붙인 후 섭씨 영상 1020도에서 가열한 후 천천히 식혔다. 그 결과 단결정 조각 주변의 덩어리 결정이 고르게 재배열돼 금속 덩어리 전체가 단결정으로 바뀌었다.
이렇게 얻은 금속 덩어리를 얇게 자르면 대면적·단결정의 금속기판을 만들 수 있다. 연구진은 다시 이를 이용해 가로 39㎝·세로 21㎝ 대면적의 단결정 2차원 소재를 만드는 데도 성공했다.
연구진은 "이번 연구에서는 구리와 니켈만으로 실험해 성공했지만 이외 다양한 금속들도 같은 방식으로 만들 수 있을 것"이라고 기대했다.
펑딩 그룹리더는 "대면적·단결정 금속기판의 제작은 재료과학 분야의 오랜 숙원 과제"라며 "이번 연구를 통해 합성된 대면적·단결정 금속기판은 다양한 단결정 2차원 소재 합성을 위한 주형(鑄型) 등에 사용될 수 있을 것"이라고 했다.