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기초과학연구원(IBS) 연구진이 그래핀 등 고성능 2차원 소재를 합성할 때 '틀' 역할을 하는 단결정 금속박막의 표면패턴을 다양하게 만들 수 있는 기술을 개발함. IBS는 다차원 탄소재료 연구단(단장 로드니 루오프) 펑딩 그룹리더 연구팀이 중국, 스위스 연구진과 함께 30여 종의 다양한 표면패턴을 가진 단결정 금속(구리·니켈) 박막을 A4용지보다 큰 대면적(39×21㎠)으로 합성했다고 밝힘.

금속기판은 2차원 소재를 합성할 때 주형으로 사용됨. 이때 금속기판의 표면 패턴에 따라 합성되는 2차원 소재의 배열 방향과 단결정 또는 다결정 성질이 결정됨.

단결정 소재는 구성 원자의 배열과 배향이 규칙적인 소재로 열·전기 전도도 등이 다결정 소재보다 우수해 고성능 전자기기 소재로 사용됨. 그래핀 등 단결정 2차원 소재는 사물인터넷(IoT), 휘어지는 소자, 차세대 배터리 등 다양한 산업 분야에 적용될 수 있음.

그동안 2차원 소재는 주로 단결정 금속기판을 주형으로 사용해 합성했음. 하지만 금속기판의 패턴 종류가 한정적이고 면적도 작아 이를 이용해 합성할 수 있는 2차원 소재의 종류와 물성에도 한계가 있었음.

연구진은 이 연구에서 '시드 성장'(seeded growth)과 '어닐링'(annealing)이라는 두 가지 기술을 병합, 표면패턴의 다양화와 단결정 금속박막의 대면적 합성에 성공함.

이들은 구리 단결정 소재를 절단해 원하는 패턴을 가진 파편(시드)을 확보하고, 이 파편을 구리 다결정에 부착한 다음 녹는점에 가까운 고온(1천20℃)으로 가열했음. 이어 가열된 구리를 수시간 동안 서서히 식히는 어닐링 과정을 거쳤음. 어닐링은 금속이나 유리를 일정한 온도로 가열한 다음 천천히 식혀 내부 조직을 고르게 해 물성을 변화시키는 과정임. 그 결과 어닐링 과정에서 파편이 씨앗(seed) 역할을 해 주변의 다결정 구리가 파편과 같은 패턴으로 재배열되면서 A4 용지보다 큰 면적의 단결정 구리박막이 만들어졌음.

연구진은 이 기술을 활용하면 향후 원하는 물성을 가진 고성능 2차원 소재 합성에 사용할 수 있는 다양한 표면패턴을 가진 금속 박막을 대면적으로 합성하는 것은 물론 구리와 니켈 외 다른 금속도 단결정 금속 박막 형태로 제조할 수 있을 것으로 기대함.

펑딩 IBS 그룹리더는 "다양한 표면패턴을 가진 대면적 단결정 금속박막 제작은 재료과학 분야에서 오랜 과제였다"며 "이 연구에서 합성한 대면적 단결정 금속박막은 다양한 단결정 2차원 소재 합성을 위한 주형, 특정 화학 반응만 일으키는 촉매 등 여러 방면에 사용될 수 있을 것"이라고 밝힘.

본 연구 성과는 ‘Nature’ 지에 게재됨