고 밀러 지수를 갖는 대면적 단결정 구리 박막 형성 메커니즘다결정 구리를 산화 및 어닐링 과정으로 단결정화시키는 과정(stage 1), 얻은 단결정을 원하는 표면 패턴을 가진 파편으로 절단하여 얻은 뒤, 다결정 구리 박막에 부착해 어닐링 과정을 거쳐 파편과 동일한 패턴으로 단결정화시킨다(stage 2)/사진=IBS산업계에선 TV 모니터, 휴대폰, 배터리 등 플렉서블(휘는) 전자기기를 만들기 위한 2차원 소재 개발 연구가 한창이다. 전자기기는 종잇장보다 수백만 배 얇은 2차원 소재가 필요하기 때문이다.
단결정 2차원 소재를 합성하기 위해서는 단결정 금속 박막(기판)이 필요하다. 단결정 금속 박막은 대면적의 단결정 덩어리를 절단한 매우 얇은 판이다. 단결정 금속 박막은 열·전기 전도성이 최적화된 금속 섬유를 제작하는데도 쓰인다.
연구진은 소재 제조에 사용되는 금속 기판이 단결정 소재 대면적화의 열쇠를 쥐고 있음을 밝힌 논문을 지난해 5월 네이처에 발표한 바 있다. 기판의 밀러 지수에 따라 합성하는 소재 배향이 달라진다는 내용이다. 밀러지수는 금속 기판의 패턴을 표현하는 지수다. 이번 연구는 다양한 밀러 지수를 갖는 금속기판을 합성할 수 있는 방법을 제시한 것이다.
연구진에 따르면 먼저 구리 단결정을 절단해 원하는 패턴을 가진 파편(시드)을 얻었다. 표면 패턴은 소고기의 마블링처럼 결정을 절단하는 방향에 따라 달라진다.
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이어 파편을 구리 다결정에 부착한 뒤 녹는점에 가까운 고온(1020℃)에서 수 시간 동안 어닐링(annealing) 시켰다. 어닐링은 금속이나 유리를 일정한 온도로 가열한 다음 천천히 식혀 내부 조직을 고르게 하며 물성을 변화시키는 과정을 말한다.
이때 파편 주변의 결정들은 파편과 동일 패턴으로 재배열되고, 점점 넓은 범위로 확장된다. 결과적으로 박막 전체에 걸쳐 동일한 패턴을 갖는 단결정으로 변한다. 이 기술을 활용하면 다양한 표면 패턴의 금속 박막을 대면적으로 합성할 수 있다는 설명이다.
연구진은 기판 선택의 폭이 넓어진 만큼 향후 적절한 기판을 골라 합성하고자 하는 소재의 배향을 조절하며 원하는 물성을 가진 고성능 2차원 소재 합성이 가능할 것으로 기대했다.
펑딩 IBS 그룹리더는 “이번 연구는 2차원 소재 합성에 사용되는 다양한 표면 패턴을 갖는 단결정 전이금속 기판을 합성하는 실용적인 방법을 제시한 것”이라며 “앞으로 다른 금속 혹은 합금에 적용해 다양한 단결정 금속 박막의 대면적 합성이 가능할 것으로 예상된다”고 말했다.
또 “이 금속 박막을 통해 다양한 결정면(표면 패턴)을 갖는 단결정 2차원 소재를 반도체 웨이퍼 크기로 만드는 등 유용한 물성을 가진 새로운 소재의 합성 및 발견을 견인할 것으로 기대된다”고 덧붙였다.
