UNIST, 2차원 소재 합성에 쓰는 금속기판 선택기준 제시

2차원 소재 합성에 쓸 수 있는 금속 기판의 선택 기준을 울산과학기술원(UNIST) 연구팀이 이론적으로 제시했다.

2일 UNIST에 따르면 신소재공학과 펑 딩 교수 연구팀은 2차원 물질을 단결정 형태로 합성하기 위해 필요한 기판 선택 기준을 내놨다.

[울산과학기술원 제공. 재판매 및 DB 금지]

그래핀 같은 2차원 신소재는 금속 기판 위에서 합성되는데, 이 방식은 기판 특성이 소재 품질에 큰 영향을 주기 때문에 기판을 잘 고르는 것이 중요하다.

연구팀의 이론 계산 결과에 따르면 기판 단면의 계단 모양 구조가 더 조밀한 고 밀러 지수 기판이 2차원 물질을 단결정 형태로 합성하는 데 더 적합한 것으로 나타났다.

같은 물질이라도 단결정 형태는 다결정 형태보다 품질이 우수하다.

밀러 지수는 물질의 단면 모양을 수학적 기호로 표현한 것인데, 원자가 차곡차곡 쌓인 금속 기판도 절단 방향에 따라 단면 모양이 달라진다.

특히 단면을 대각으로 자른 고 밀러 지수 면은 원자가 한 층씩 계단처럼 쌓인 구조가 있다.

연구팀은 앞선 연구를 통해 상업적으로 쉽게 구할 수 있는 저 밀러 지수 기판보다 고 밀러 지수 기판이 2차원 물질을 단결정 형태로 합성하는 데 적합하다는 사실을 알아낸 바 있다.

이번 연구에서는 계단 구조가 더 조밀한 고 밀러 지수 기판일수록 2차원 물질을 단결정 형태로 쉽게 합성할 수 있는 사실을 밝혀냈다.

실제 기판은 이론과 달리 단면이 완벽하게 평편하지 못하고 울퉁불퉁하기 때문에 계단 모서리가 직선이 아닌 구불구불한 곡선 형태를 띠는데, 계단 구조가 조밀하면 모서리 형태가 단결정 합성에 유리한 직선 형태에 더 가까워진다고 연구팀은 설명했다.

펑 딩 교수는 "반도체에 쓰이는 단결정 실리콘 합성 기술은 수십 년간 연구돼 명확한 제조 방법이 확립됐지만, 새로 등장한 그래핀 등 2차원 물질을 단결정 형태로 합성하는 기술은 초기 연구 단계"라며 "시행착오를 줄이는 이론 연구의 도움을 받는다면 5∼10년 이내에 상업화 가능한 수준으로 대량 합성하는 기술을 개발할 수 있을 것"이라고 말했다.

기초과학연구원(IBS) 지원을 받은 이번 연구 결과는 소재 분야 국제 학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼스'에 출판됐다.

정재훈기자 jhoon@etnews.com