'30여종 표면 패턴' 단결정 금속박막 대면적 제조법 개발
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작성자 편환현
작성일20-05-28 05:47
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[머니투데이 류준영 기자] [IBS, A4 용지보다 큰 단결정 금속 기판 제작…그래핀 등 고성능 2차원 소재 합성 위한 핵심소재 다양화 성공]
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=IBS기초과학연구원(IBS) 다차원탄소재료연구단 펑딩 그룹리더(UNIST 특훈교수) 연구팀이 30여 종류의 다양한 표면 패턴을 가진 단결정 금속 박막을 대면적으로 제조하는 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.
산업계에선 TV 모니터, 휴대폰, 배터리 등 플렉서블(휘는) 전자기기를 만들기 위한 2차원 소재 개발 연구가 한창이다. 전자기기는 종잇장보다 수백만 배 얇은 2차원 소재가 필요하기 때문이다.
2차원 물질은 단결정성 물질과 다결정성 물질로 나뉘는데 과학·산업 분야에선 구성 원자들이 규칙적으로 배열돼 하나의 방향성을 지닌 단결정성 물질 활용에 초점을 맞추고 있다.
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.
ㅈ지금까지 단결정 금속 박막은 패턴의 종류가 한정적이었다. IBS 연구진은 이번에 30여 종의 다양한 표면 패턴을 가진 단결정 금속 박막을 대면적(39×21㎠)으로 합성하는데 성공했다.
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.
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.
류준영 기자 joon@
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<저작권자 ⓒ '돈이 보이는 리얼타임 뉴스' 머니투데이, 무단전재 및 재배포 금지>
[머니투데이 류준영 기자] [IBS, A4 용지보다 큰 단결정 금속 기판 제작…그래핀 등 고성능 2차원 소재 합성 위한 핵심소재 다양화 성공]
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=IBS기초과학연구원(IBS) 다차원탄소재료연구단 펑딩 그룹리더(UNIST 특훈교수) 연구팀이 30여 종류의 다양한 표면 패턴을 가진 단결정 금속 박막을 대면적으로 제조하는 기술을 개발했다고 28일 밝혔다. 산업계에선 TV 모니터, 휴대폰, 배터리 등 플렉서블(휘는) 전자기기를 만들기 위한 2차원 소재 개발 연구가 한창이다. 전자기기는 종잇장보다 수백만 배 얇은 2차원 소재가 필요하기 때문이다.
2차원 물질은 단결정성 물질과 다결정성 물질로 나뉘는데 과학·산업 분야에선 구성 원자들이 규칙적으로 배열돼 하나의 방향성을 지닌 단결정성 물질 활용에 초점을 맞추고 있다.
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.
ㅈ지금까지 단결정 금속 박막은 패턴의 종류가 한정적이었다. IBS 연구진은 이번에 30여 종의 다양한 표면 패턴을 가진 단결정 금속 박막을 대면적(39×21㎠)으로 합성하는데 성공했다.
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.
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.
류준영 기자 joon@
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IBS 연구팀 "표면패턴 다양한 단결정 금속박막 대면적 제조기술 개발"
(서울=연합뉴스) 정윤주 기자 = 기초과학연구원(IBS) 연구진이 그래핀 등 고성능 2차원 소재를 합성할 때 '틀' 역할을 하는 단결정 금속박막의 표면패턴을 다양하게 만들 수 있는 기술을 개발했다.
IBS는 28일 다차원 탄소재료 연구단(단장 로드니 루오프) 펑딩 그룹리더 연구팀이 중국, 스위스 연구진과 함께 30여 종의 다양한 표면패턴을 가진 단결정 금속(구리·니켈) 박막을 A4용지보다 큰 대면적(39×21㎠)으로 합성했다고 밝혔다.
이 연구 결과는 이날 국제학술지 '네이처'(Nature) 온라인판에 공개됐다.
대면적 단결정 구리 박막의 모습[IBS 제공. 재판매 및 DB금지]
금속기판은 2차원 소재를 합성할 때 주형으로 사용된다. 이때 금속기판의 표면 패턴에 따라 합성되는 2차원 소재의 배열 방향과 단결정 또는 다결정 성질이 결정된다.
단결정 소재는 구성 원자의 배열과 배향이 규칙적인 소재로 열·전기 전도도 등이 다결정 소재보다 우수해 고성능 전자기기 소재로 사용된다. 그래핀 등 단결정 2차원 소재는 사물인터넷(IoT), 휘어지는 소자, 차세대 배터리 등 다양한 산업 분야에 적용될 수 있다.
그동안 2차원 소재는 주로 단결정 금속기판을 주형으로 사용해 합성했다. 하지만 금속기판의 패턴 종류가 한정적이고 면적도 작아 이를 이용해 합성할 수 있는 2차원 소재의 종류와 물성에도 한계가 있었다.
연구진은 이 연구에서 '시드 성장'(seeded growth)과 '어닐링'(annealing)이라는 두 가지 기술을 병합, 표면패턴의 다양화와 단결정 금속박막의 대면적 합성에 성공했다.
대면적 다결정 구리 박막 형성 메커니즘[IBS 제공. 재판매 및 DB 금지]
이들은 구리 단결정 소재를 절단해 원하는 패턴을 가진 파편(시드)을 확보하고, 이 파편을 구리 다결정에 부착한 다음 녹는점에 가까운 고온(1천20℃)으로 가열했다. 이어 가열된 구리를 수시간 동안 서서히 식히는 어닐링 과정을 거쳤다.
어닐링은 금속이나 유리를 일정한 온도로 가열한 다음 천천히 식혀 내부 조직을 고르게 해 물성을 변화시키는 과정이다.
그 결과 어닐링 과정에서 파편이 씨앗(seed) 역할을 해 주변의 다결정 구리가 파편과 같은 패턴으로 재배열되면서 A4 용지보다 큰 면적의 단결정 구리박막이 만들어졌다.
연구진은 이 기술을 활용하면 향후 원하는 물성을 가진 고성능 2차원 소재 합성에 사용할 수 있는 다양한 표면패턴을 가진 금속 박막을 대면적으로 합성하는 것은 물론 구리와 니켈 외 다른 금속도 단결정 금속 박막 형태로 제조할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
펑딩 IBS 그룹리더는 "다양한 표면패턴을 가진 대면적 단결정 금속박막 제작은 재료과학 분야에서 오랜 과제였다"며 "이 연구에서 합성한 대면적 단결정 금속박막은 다양한 단결정 2차원 소재 합성을 위한 주형, 특정 화학 반응만 일으키는 촉매 등 여러 방면에 사용될 수 있을 것"이라고 말했다.
펑딩 IBS 그룹리더[IBS 제공. 재판매 및 DB 금지]
jungle@yna.co.kr
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IBS 연구팀 "표면패턴 다양한 단결정 금속박막 대면적 제조기술 개발"
(서울=연합뉴스) 정윤주 기자 = 기초과학연구원(IBS) 연구진이 그래핀 등 고성능 2차원 소재를 합성할 때 '틀' 역할을 하는 단결정 금속박막의 표면패턴을 다양하게 만들 수 있는 기술을 개발했다.
IBS는 28일 다차원 탄소재료 연구단(단장 로드니 루오프) 펑딩 그룹리더 연구팀이 중국, 스위스 연구진과 함께 30여 종의 다양한 표면패턴을 가진 단결정 금속(구리·니켈) 박막을 A4용지보다 큰 대면적(39×21㎠)으로 합성했다고 밝혔다.
이 연구 결과는 이날 국제학술지 '네이처'(Nature) 온라인판에 공개됐다.
대면적 단결정 구리 박막의 모습[IBS 제공. 재판매 및 DB금지]금속기판은 2차원 소재를 합성할 때 주형으로 사용된다. 이때 금속기판의 표면 패턴에 따라 합성되는 2차원 소재의 배열 방향과 단결정 또는 다결정 성질이 결정된다.
단결정 소재는 구성 원자의 배열과 배향이 규칙적인 소재로 열·전기 전도도 등이 다결정 소재보다 우수해 고성능 전자기기 소재로 사용된다. 그래핀 등 단결정 2차원 소재는 사물인터넷(IoT), 휘어지는 소자, 차세대 배터리 등 다양한 산업 분야에 적용될 수 있다.
그동안 2차원 소재는 주로 단결정 금속기판을 주형으로 사용해 합성했다. 하지만 금속기판의 패턴 종류가 한정적이고 면적도 작아 이를 이용해 합성할 수 있는 2차원 소재의 종류와 물성에도 한계가 있었다.
연구진은 이 연구에서 '시드 성장'(seeded growth)과 '어닐링'(annealing)이라는 두 가지 기술을 병합, 표면패턴의 다양화와 단결정 금속박막의 대면적 합성에 성공했다.
대면적 다결정 구리 박막 형성 메커니즘[IBS 제공. 재판매 및 DB 금지]이들은 구리 단결정 소재를 절단해 원하는 패턴을 가진 파편(시드)을 확보하고, 이 파편을 구리 다결정에 부착한 다음 녹는점에 가까운 고온(1천20℃)으로 가열했다. 이어 가열된 구리를 수시간 동안 서서히 식히는 어닐링 과정을 거쳤다.
어닐링은 금속이나 유리를 일정한 온도로 가열한 다음 천천히 식혀 내부 조직을 고르게 해 물성을 변화시키는 과정이다.
그 결과 어닐링 과정에서 파편이 씨앗(seed) 역할을 해 주변의 다결정 구리가 파편과 같은 패턴으로 재배열되면서 A4 용지보다 큰 면적의 단결정 구리박막이 만들어졌다.
연구진은 이 기술을 활용하면 향후 원하는 물성을 가진 고성능 2차원 소재 합성에 사용할 수 있는 다양한 표면패턴을 가진 금속 박막을 대면적으로 합성하는 것은 물론 구리와 니켈 외 다른 금속도 단결정 금속 박막 형태로 제조할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
펑딩 IBS 그룹리더는 "다양한 표면패턴을 가진 대면적 단결정 금속박막 제작은 재료과학 분야에서 오랜 과제였다"며 "이 연구에서 합성한 대면적 단결정 금속박막은 다양한 단결정 2차원 소재 합성을 위한 주형, 특정 화학 반응만 일으키는 촉매 등 여러 방면에 사용될 수 있을 것"이라고 말했다.
펑딩 IBS 그룹리더[IBS 제공. 재판매 및 DB 금지]jungle@yna.co.kr
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