핸드폰·배터리에 활용 '2차원 소재' 합성 편하게 한다

[이데일리 강민구 기자] 국제 공동 연구진이 핸드폰, 배터리 등에 쓰이는 2차원 소재 합성을 보다 편하게 할 가능성을 제시했다.

기초과학연구원(IBS)은 펑딩 다차원 탄소재료 연구단 그룹리더 연구팀이 중국, 스위스 연구진과 고성능 2차원 소재 합성을 위한 금속 기판의 표면 패턴을 다양화했다고 26일 밝혔다.

고 밀러 지수를 갖는 대면적 단결정 구리 박막의 모습.<사진=기초과학연구원>

핸드폰, 배터리 등 플렉서블·롤러블 전자기기를 만들기 위해선 종이 보다 수백만배 얇은 2차원 소재 개발이 필요하다. 2차원 물질은 구성 원자들의 배열에 따라 단결정성 또는 다결정성을 갖는다.

공동 연구진은 지난해 소재를 만들 때 사용하는 금속 기판이 단결정 소재 대면적화의 핵심임을 증명했다. 금속 기판의 패턴을 표현하는 지수인 밀러지수에 따라 합성하는 소재의 배향이 달라지는 것에서 다양한 밀러 지수를 갖는 금속기판을 합성할 방법을 제시했다. 단결정 2차원 소재 합성에 필요한 단결정 금속 기판을 30여 종의 다양한 표면 패턴을 갖도록 합성한 것이다.

연구진은 구리 단결정을 절단해 원하는 패턴이 있는 파편을 얻었다. 표면 패턴은 소고기의 마블링처럼 결정을 절단하는 방향에 따라 달라진다.

이어 파편을 구리 다결정에 부착하고, 녹는점에 가까운 1020도의 고온에서 가열한 다음 천천히 식혀 내부 조직을 고르게 하며 물성을 변화시켰다. 이때 파편 주변의 결정들이 파편과 동일한 패턴으로 재배열되고, 점점 넓은 범위로 확장돼 박막 전체에서 동일 패턴이 있는 단결정으로 변화했다.

이 기술을 활용하면 다양한 표면 패턴의 금속 박막을 대면적으로 합성할 수 있다. 연구진은 기판 선택의 폭이 넓어져 적절한 기판을 골라 합성하려는 소재의 배향을 조절해 원하는 물성을 가진 고성능 2차원 소재 합성이 가능할 것으로 기대했다.

또 이번 연구에 쓰인 구리, 니켈뿐만 아니라 다양한 금속을 대면적 단결정 금속 박막 형태로 만들 수 있을 것으로 예상했다.

펑딩 IBS 그룹리더는 “다양한 결정면을 가진 대면적 단결정 금속 박막 제작은 재료 과학 분야의 오랜 과제”라며 “연구를 통해 합성한 대면적 단결정 금속 박막은 다양한 단결정 2차원 소재 합성을 위한 주형, 특정 화학 반응만을 선택해 일으키는 촉매 등 여러 방면에 사용될 수 있을 것”이라고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처(Nature)’ 온라인 판에 28일 0시에 게재됐다.