[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

고품질 흑연은 우수한 기계적 강도와 열 안정성, 유연성, 수평 방향에서 우수한 열·전기 전도성을 지니고 있다. 이러한 특성 덕분에 경량 스마트폰의 냉각 소재 등으로 쓰는 등 응용 가능성이 큰 첨단소재다.

이러한 우수한 특성은 흑연의 특수한 구조 덕분에 가능해진다. 흑연은 판상형 물질인 그래핀이 켜켜이 쌓여 있는 형태다. 그래핀은 탄소 원자가 육각 벌집 모양으로 이어진 한 층의 물질이다. 이 탄소 원자들은 강한 결합력인 공유결합(covalent bond)으로 연결돼 기계적 강도가 우수하고 열·전기 전도성이 뛰어나다. 반면 그래핀 층끼리는 약한 결합력인 반데르발스 힘(van der Waals' force)으로 결합하기 때문에 유연성까지 동시에 갖출 수 있다.

흑연은 발견된 지 1,000년이 지났고 인조 흑연 합성법도 100년 이상 연구되고 있지만, 흑연의 물성은 완벽과는 거리가 멀다. 물성이 우수한 단결정 흑연은 수 밀리미터 수준 이상으로 합성된 적이 없다. 석영이나 단결정 실리콘이 최대 합성 가능한 크기가 수 미터 수준이라는 점과 극명히 상반되는 결과다.

이처럼 단결정 흑연의 합성이 어려운 이유는 그래핀 층간의 약한 결합력 때문이다. 그래핀 층간의 고정력이 약하므로 편평한 형태를 유지하기 힘들고, 이는 그래핀이 다결정 형태로 쉽게 으스러지게 만든다.

2. 연구내용

본 연구팀은 이를 해결할 수 있는 합성 전략을 제시했다. 이 합성법으로 합성된 흑연은 최대 인치 단위(수 센치미터)로 크다. 기존에 합성됐던 인공 흑연은 결정 하나의 크기가 수 밀리미터 수준에 그쳤던 점을 생각하면 큰 발전이다.

이번에 합성된 인공 흑연은 최대 인치 크기의 단결정으로 이뤄졌으며, 두께는 35마이크로미터 수준이다. 이는 그래핀 10만 층 이상을 쌓은 두께다. 열전도율은 최대 2,880W/mK(와트퍼미터캘빈)으로 이는 구리에 7배 이상으로 뛰어나다. 또 불순물의 함량이 0에 가까웠으며, 그래핀 층간의 간격도 이제껏 나온 흑연 중에 가장 좁다.

이 같은 합성법의 주요 설계 포인트는 다음과 같다. 먼저 ‘흑연을 합성하는 기판’이다. 기판으로 사용한 대면적 단결정 니켈(Ni) 필름은 굉장히 평편한 단면 모양을 갖고 있다. 이 덕분에 그 위에 성장한 그래핀들 또한 단결정성을 가질 수 있었다. 또 고체 상태의 원료를 사용해 비교적 천천히 합성을 진행함으로써 그래핀 층을 같은 화학적 환경에서 등온성장시켜, 흑연 질의 균일성 확보할 수 있게 됐다. 합성 시간은 최대 100시간이 소요된다. 마지막으로 니켈 필름의 뒷면에서 탄소 소스를 공급 (solid carbon source) 해 5초 당 한 개의 층이 형성되는 빠른 비율로 그래핀 층의 성장 시킬 수 있었다.

3. 기대효과

이번에 합성한 초고품질 흑연은 기존 전자기기의 성능을 개선하거나, 차세대 전자기기의 부품으로 쓰일 수 있을 것이다.

[붙임] 그림설명