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0.5nm 초박막 다이아몬드 제작 기술 나왔다

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0.5nm 초박막 다이아몬드 제작 기술 나왔다

2019.12.10 08:43
새롭게 개발된 초박형 다이아몬드(F-다이아메인)의 구조를 묘사했다. IBS 제공
새롭게 개발된 초박형 다이아몬드(F-다이아메인)의 구조를 묘사했다. IBS 제공

세상에서 가장 얇은 다이아몬드를 인공적으로 만드는 데 성공했다. 두께가 탄소 원자 두 개와 불소 원자 두 개를 쌓은 높이에 불과하다. 우수한 전기적 특성을 지니면서 강한 새로운 소재 개발 가능성을 열었다는 평가다.


로드니 루오프 기초과학연구원(IBS) 다차원탄소재료연구단장(울산과학기술원 자연과학부 특훈교수)과 파벨 바카레브 연구위원팀은 얇은 박막형 탄소 신소재인 '그래핀'을 간단한 공정을 통해 다이아몬드 박막으로 바꾸는 기술을 개발해 ‘네이처 나노테크놀로지’ 10일자에 발표했다. 


그래핀은 탄소가 마치 육각형의 그물코를 가진 그물망처럼 연결돼 있는 2차원 탄소 소재다. 하나의 탄소 원자는 주변 탄소 원자 3개와 결합해 있으며, Y자 모양의 평면을 이룬다. 이런 Y자 구조가 평면 상에서 세 개 모여 육각형 그물코를 만든다. 그래핀은 전기가 잘 통하면서도 잘 휘어져 디스플레이 등 전자소자 등에 응용하려는 시도가 많다.


다이아몬드 역시 탄소로만 된 소재지만 구조가 많이 다르다. 1개의 탄소 원자가 주변 탄소 원자 4개와 결합해 있는데, 평면으로는 이런 구조를 이룰 수 없어 마치 발가락이 하나 적은 닭발 모양의 입체 구조를 이룬다. 이 구조는 매우 안정적인 특성이 있어 단단하다.

 

이 때문에 그래핀의 구조를 변화시켜 얇으면서도 강한 초박막 다이아몬드인 ‘다이아메인’을 합성하려는 시도가 많았지만, 그래핀도 매우 안정적인 소재다 보니 결합구조를 변화시키려면 큰 압력이 필요하다는 단점이 있었다.


연구팀은 2장의 그래핀을 쌓고 화학 변화를 일으켜 일상에서 경험할 수 있는 평상시 대기압 조건에서도 안정적인 다이아메인을 처음으로 합성하는 데 성공했다. 비밀은 불소 기체였다. 파벨 바카레브 연구위원은 “불소를 주입하는 ‘불소화 과정’을 이용해 간단히 그래핀의 탄소 결합을 다이아몬드의 결합 형태로 바꾸는 기술을 개발했다”고 말했다.

 

구리니켈 기판 위에 만든 이중층 그래핀의 모습(왼쪽)과 F-다이아메인의 모습(가운데 및 오른쪽)을 투과전자현미경(TEM)으로 찍었다. 결합에 따라 구조가 변하면서 탄소 원자층 사이의 거리가 가까워졌고, 대신 불소 불순물이 들어가면서 전체적인 높이는 0.3nm에서 0.5nm로 약간 두꺼워졌다. 하지만 다이아몬드 구조를 갖는 1층짜리 2차원 소재로, 존재할 수 있는 가장 얇은 다이아몬드다. IBS 제공
구리니켈 기판 위에 만든 이중층 그래핀의 모습(왼쪽)과 F-다이아메인의 모습(가운데 및 오른쪽)을 투과전자현미경(TEM)으로 찍었다. 결합에 따라 구조가 변하면서 탄소 원자층 사이의 거리가 가까워졌고, 대신 불소 불순물이 들어가면서 전체적인 높이는 0.3nm에서 0.5nm로 약간 두꺼워졌다. 하지만 다이아몬드 구조를 갖는 1층짜리 2차원 소재로, 존재할 수 있는 가장 얇은 다이아몬드다. IBS 제공

먼저 구리니켈 합금으로 기판을 만든 뒤, 탄소를 증기 형태로 뿜어 입히는 ‘화학기상증착법(CVD)’를 이용해 두 겹의 그래핀을 만들었다. 투과전자현미경(TEM)으로 관측한 결과 이 기체는 높이가 약 0.3nm(나노미터. 1nm는 10억 분의 1m)로 매우 얇았다(위 사진 왼쪽). 그 뒤 불소 기체를 주입해 그래핀과 화학 반응을 일으켰다. 이 과정에서 주변 3개 원자와 결합하던 탄소가 4개의 원자와 결합했고, 탄소 사이의 간격이 가까워진 대신 불소의 높이가 추가돼 총 두께가 0.5nm인 필름 형태의 박막형 다이아몬드가 만들어졌다(위 사진 오른쪽). 이는 이론으로 예측된 구조와 정확히 일치하는 형태였다. 연구팀은 이 소재에 ‘F(불소)-다이아메인’이라는 이름을 붙였다.


루오프 단장은 “다이아몬드의 우수한 물성을 다양한 분야에 사용할 수 있는 길을 열었다”며 “향후 전기적·기계적 특성까지 조절 가능한 대면적 단결정 다이아몬드 필름을 연구할 계획”이라고 말했다.

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