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UNIST 연구진, 고품질 ‘단결정 흑연’ 제조 기술 개발

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2019년 02월 06일 12:00 프린트하기

고품질 흑연 제조 기술을 개발한 빈 왕 박사, 로드니 루오프 교수, 벤자민 커닝 박사(왼쪽부터). UNIST 제공.
고품질 흑연 제조 기술을 개발한 빈 왕 박사, 로드니 루오프 교수, 벤자민 커닝 박사(왼쪽부터). UNIST 제공.

국내 연구진이 배터리 전극이나 스마트폰 방열판에 쓰이는 흑연의 품질을 높일 수 있는 새로운 ‘단결정 흑연’ 제조 기술을 개발했다. 

 

UNIST는 로드니 루오프(Rodney S. Ruoff) 자연과학부 특훈교수(IBS 다차원탄소재료연구단장) 연구팀이 단결정 그래핀을 사용한 열처리 공정으로 흑연 결정이 나란히 정렬된 ‘고품질 흑연’을 제조하는 기술을 개발했다고 6일 밝혔다. 

 

자연에서 발견되는 흑연은 물론 인공적으로 합성한 인조 흑연도 모두 다결정 구조다. 재료를 이루는 결정 속 원자 배열이 다른 작은 결정들이 연결돼 하나의 물질을 이루는 것이다. 다결정 구조는 결정들이 만나는 경계면에 결함이 생겨 물질 고유 특성이 저하되는 단점이 있다. 

 

과학자들은 다결정 구조의 흑연이 지니는 단점을 해결하기 위해 단결정 흑연을 제조하는 기술을 고안했지만 아직 대면적 단결정 흑연을 만들지는 못했다. 그나마 단결정에 가까운 ‘고배향성 열분해 흑연(HOPG)’이 연구 목적으로 이용되고 있지만 고온·고압 조건에서 제조되기 때문에 제조비용이 비싸다. 

 

연구진은 화학물질을 박막으로 만드는 ‘화학기상증착법(CVD)’로 성장시킨 단결정 그래핀을 높은 온도로 열처리해 탄화와 흑연화를 진행했다. 탄화는 열분해로 다른 원소들을 제거해 탄소로만 이뤄진 물질이 되는 반응이고, 모양이 정해지지 않은 탄소 물질이 부분적으로 또는 완전히 흑연으로 변하는 게 흑연화다. 

 

연구진은 단결정 그래핀이 탄화와 흑연화를 거친 뒤 고배향성 흑연을 지닌 고품질 흑연이 형성된다는 사실을 알아냈다. 고배향성 흑연은 높은 온도와 압력을 가해 제조하는 인조 흑연이다. 단결정 그래핀이 열처리 과정에서 일종의 ‘템플릿’ 역할을 해 고온에서 무질서하게 배열됐던 탄소 원자들이 완벽한 육각형 구조를 복사해 재배열된 것이다. 템플릿은 기본도형을 유도하는 제도 용구를 뜻하는 말로 이번 연구에선 결정의 질서 있는 배열을 유도한다는 의미다. 

 

연구진은 단결정 그래핀의 템플릿 효과를 극대화하기 위해 열처리 온도를 더 높였다. 그러자 템플릿 효과가 더 커지고 아직 흑연으로 만들어지지 않은 탄소 원자들도 전체적으로 비슷한 결정 방향을 갖게 됐다. 

 

단결정 그래핀이 흑연 결정을 나란히 배열하게 만들었다는 사실은 포항방사광가속기를 이용해 확인됐다. 신태주 UNIST 연구지원본부장은 “포항방사광가속기의 UNIST-PAL 빔라인을 이용해 X선 회절기법으로 흑연 구조 연구를 진행했다”고 밝혔다. 

 

이번 연구는 대면적 단결정 흑연 합성을 위한 선행 기술이 될 수 있다. 연구논문의 공동 제1저자인 빈 왕(Bin Wang) 기초과학연구원(IBS) 다차원탄소재료연구단 연구위원은 “얼마나 큰 고품질 흑연 필름을 만드느냐는 전적으로 단결정 그래핀 크기에 달렸다”고 말했다. 

 

루오프 교수는 “흑연이 쓰이는 수많은 응용 분야를 감안할 때 품질이 좋은 대면적 단결정 흑연 필름은 중요한 기술”이라며 “이번 연구를 계기로 대면적 단결정 흑연 필름 제조 기술을 확보하면 다양한 응용 산업에 기여할 수 있을 것”이라고 설명했다. 이번 연구결과는 재료 분야 국제 학술지 ‘머티리얼즈 호라이즌스(Materials Horizons)’에 게재됐다. 

단결정 그래핀(붉은 상자) 주변에 결정 방향이 비슷한 고품질 흑연이 만들어지는 장면. UNIST 제공.
단결정 그래핀(붉은 상자) 주변에 결정 방향이 비슷한 고품질 흑연이 만들어지는 장면. UNIST 제공.

 

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