▲ 연구진은 상용 다결정 구리 포일을 석영 거치대에 매단 상태에서 수소 대기 하에 고온의 열을 가해 손쉽게 단결정 구리 포일을 제조했다. 이를 후방산란전자회절(EBSD)으로 분석하면 균일한 파란색 이미지가 나타나는데 이는 포일 전체가 하나의 결정 방위만을 가지는 단결정이라는 것을 의미한다.

국내 연구진이 제조비용이 비싸고 대면적화가 어려운 단결정 금속 포일의 단점을 획기적으로 해결하는 기술을 개발해 단결정 그래핀 등 고성능 차세대 전자소재 개발에 기여할 전망이다.

과학기술정보통신부(장관 유영민)는 과학기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 로드니 루오프 단장(울산과학기술원 특훈교수) 연구팀이 신형준 울산과학기술원(UNIST) 교수, 유원종 성균관대 교수와 공동으로 값싼 상용 다결정 금속 포일로부터 고부가가치의 단결정 금속 포일을 손쉽게 제조할 수 있는 기술을 개발했다고 지난 19일 밝혔다.

재료 전체에서 원자가 규칙적으로 배열된 상태를 단결정이라고 하는데 단결정 금속 포일은 다결정 금속 포일에 비해 표면 특성이 균일하고 전기전도도가 우수한 장점이 있지만, 제조비용이 비싸고, 대면적 제작이 어렵다는 한계로 일부 분야에만 제한적으로 사용되고 있다.

이에 연구팀은 이번에 ‘무접촉 열처리’라는 새로운 제조 공정을 개발해 기존 보다 1/1,000 낮은 제조비용으로 최대 32㎠의 대면적 단결정 금속 포일을 제조하는 데 성공했다.

이번에 개발된 무접촉 열처리 기술은 다결정 금속 포일을 공중에 매단 상태에서, 수소 대기 하에 고온의 열을 가하는 것만으로 손쉽게 단결정 금속 포일을 제조할 수 있는 공정이다. 금속의 녹는점(구리의 경우 1083℃) 근처의 열을 가하면 다결정 금속 포일의 여러 결정 중 가장 표면에너지가 낮은 결정이 점점 거대하게 성장한다. 이 결정이 점차 커지다가 결국엔 주변 결정을 흡수하며, 결국엔 하나의 커다란 결정으로 변하는 것이다.

이 기술로 제조한 단결정 구리 포일은 원재료로 사용된 다결정 구리 포일에 비해 전기저항이 7% 가량 낮은 우수한 전기적 특성을 나타냈다.

또한, 연구진은 무접촉 열처리로 제작한 단결정 금속 포일을 기판으로 사용해서 다결정에 비해 전기적·열적으로 성능이 우수한 단결정 그래핀을 성장시키는 데도 성공했다.

이번에 개발된 공정은 단결정 금속의 제조비용을 대폭 절감해서 단결정 금속의 상용화에 기여할 것으로 평가된다. 일례로 다결정 구리 포일의 가격은 1㎠ 당 38원 수준이지만, 단결정 구리로 만들면 동일 면적에 18만원 수준 가격이 급등한다.

뿐만 아니라 단결정 그래핀을 촉매로 사용해 ‘꿈의 신소재’로 불리는 단결정 그래핀 등 차세대 전자소재 개발을 견인할 수 있을 것으로 기대된다.

로드니 루오프 단장은 “구리, 니켈, 코발트, 백금 등 다양한 금속들을 손쉽게 단결정으로 전환할 수 있음을 증명했다”며 “실리콘 단결정 성장 기술의 발견이 현재 반도체의 역사를 연 것처럼 다양한 분야에 응용돼 세상을 바꿔나갈 것으로 기대한다”고 말했다.

한편 이번 연구 성과는 사이언스(Science, IF 41.058) 온라인 판에 10월19일 3시에 게재됐다.