반도체 신소재 그래핀으로 ‘유연한’ 다이아몬드 만들었다

IBS 연구팀 "다이아몬드 우수한 물성 다양한 분야에 활용"

2019.12.10 07:10 사이언스타임즈 관리자

반도체 신소재 그래핀을 이용해 유연한 다이아몬드를 만드는 기술이 개발됐다.

한국기초과학연구원(IBS)은 다차원 탄소재료 연구단 로드니 루오프 단장 연구팀이 상온에서 간단한 공정으로 그래핀을 다이아몬드 박막으로 만드는 데 성공했다고 10일 밝혔다.

그래핀과 다이아몬드는 탄소 원자로만 이뤄진 탄소 동소체(원소 종류는 같지만 배열 방법이 다른 물질)다.

그래핀은 흑연의 한 층에서 떼어낸 2차원 물질로, 탄소 원자가 주변 탄소 원자 3개와 결합(SP2)해 벌집 모양을 이루고 있다. 전기·화학적 특성이 우수해 반도체 분야 ‘꿈의 신소재’로 불린다.

다이아몬드는 중심부 탄소 원자가 주변 4개의 탄소 원자와 결합(SP3)해 만든 정사면체가 끊임없이 반복되는 형태의 3차원 물질이다.

이 같은 결합 차이로 그래핀은 열과 전기 전도도가 높고 유연성이 뛰어나지만, 다이아몬드는 열 전도성은 높으나 전기는 통하지 않고 쉽게 휘어지지 않는 특성을 지녔다.

그래핀을 이용해 전기는 차단하면서도 열은 전달할 수 있는 유연한 ‘2차원 다이아몬드'(다이아메인)를 합성하려는 연구가 활발히 진행되고 있지만, 높은 압력과 온도가 필요해 상용화가 어려웠다.

연구팀은 상온과 일반 대기압(1기압) 조건에서도 안정적인 다이아메인을 합성하는 데 성공했다.

우선 화학 기상 증착법(CVID·화학물질이 기판 위에 막을 형성하도록 하는 방법)을 이용해 구리니켈 합금 기판 위에 그래핀 2개 층을 만든 뒤 층과 층 사이에 불소(F) 기체를 주입했다.

불소 기체가 그래핀 두 층 간 탄소 결합을 유도해 한 개의 탄소가 주변 4개의 탄소와 결합하는 형태가 되면서 최종적으로 다이아메인 필름이 만들어진다.

일종의 불소가 합성된 유사 다이아몬드로, ‘F-다이아메인’이라 이름 붙였다.

두께는 0.5㎚(㎚·10억분의 1m)로, 세계에서 가장 얇은 수준이라고 연구팀은 전했다.

고온·고압 공정 없이도 안정성을 유지할 수 있어 다이아메인 상용화에 기여할 것으로 기대된다.

로드니 루오프 단장은 “유사 다이아몬드 합성을 통해 다이아몬드의 우수한 물성을 다양한 분야에 활용할 수 있을 것”이라며 “앞으로 전기·기계적 특성까지 조절할 수 있는 대면적 단결정 다이아몬드 필름을 합성하는 연구를 진행할 계획”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 나노테크놀로지’ 10일 자 온라인판에 실렸다.

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