연필심의 재료로 친숙한 흑연은 철강, 반도체부터 태양광, 에너지 저장 등 여러 산업에서 쓰이는 주요 자재다. 전기적 특성이 우수하고, 고온에도 잘 견디는 것은 물론 가격까지 저렴하기 때문이다.

기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 로드니 루오프(Rodney S. Ruoff) 다차원 탄소재료 연구단장(UNIST 자연과학부 특훈교수) 연구팀은 신태주 UNIST 연구지원본부장과 공동으로 단결정 그래핀을 사용한 열처리 공정으로 흑연 결정이 나란하게 정렬된 고품질 흑연을 제조하는 새로운 방법을 제시했다. 흑연의 성능이 제품의 성능으로 직결되기 때문에, 여러 산업에 유용하게 사용될 기술로 기대된다.

흑연을 포함한 대부분의 재료는 다결정 구조를 가진다. 재료를 이루는 결정 속 원자 배열이 다양하다는 뜻이다. 각각 다른 원자 배열을 가진 작은 결정들이 연결돼 하나의 물질을 이룬다고 생각하면 쉽다. 이런 다결정 재료는 결정들이 만나는 경계면에 결함이 존재한다. 따라서 물질 고유의 특성도 저하된다.

자연에서 발견되는 흑연은 물론 인공적으로 합성한 인조 흑연도 다결정 구조다. 아직까지 대면적 단결정 흑연을 만드는 기술은 개발되지 않았다. 현재 기술 수준은 단결정에 가까운 '고배향성 열분해 흑연(Highly Oriented Pyoytic Graphite, HOPG)'가 연구 목적으로 사용되는 수준이다. 하지만 HOPG도 고온·고압 조건 하에서 제조할 수 있어 제조비가 비싸다는 한계가 있었다.

이번 연구에서 연구팀은 화학기상증착법(Chemical Vaper Deposition, CVD)¹⁾으로 성장시킨 단결정 그래핀을 흑연 재료가 되는 탄소 기반 물질 내부에 위치시켰다. 이후 높은 온도로 열처리하자 탄화(Carbonization)²⁾와 흑연화(Graphatization)³⁾가 진행됐다. 뜨거운 열 때문에 다른 물질은 사라지고 탄소만 남아 흑연으로 변하는 것이다. 이때 단결정 그래핀에 가까운 영역에서부터 고배향성을 가진 고품질 흑연이 형성됨을 확인했다.

제1저자인 벤자민 커닝(Benjamin V. Cunning) 연구위원은 "그래핀 단결정은 열처리 과정에서 일종의 '템플릿⁴⁾' 역할을 했다"며 "고온에서 탄소 물질 내 무질서하게 배열돼 있던 탄소 원자들이 그래핀의 탄소 원자가 이루는 완벽한 육각형 구조를 복사해 재배열됐다"고 설명했다.

열처리 온도를 높인 경우엔 그 효과가 더 커졌다. 아직 흑연으로 만들어지지 않은 탄소 원자들도 그래핀 주변의 고배향성 흑연의 영향을 받아 전체적으로 비슷한 결정 방향을 가지게 된 것이다. 이는 단결정 그래핀부터 시작된 일종의 도미노 현상이다.

이번 연구에서 포항방사광가속기의 UNIST-PAL 빔라인을 이용해 흑연 구조연구를 진행한 신태주 UNIST 연구지원본부장은 "그래핀이 흑연 결정을 나란히 배열하게 한다는 것을 방사광 스침각 X-선 회절기법을 이용해 밝혔다"라고 말하며 방사광가속기의 중요성에 대해 피력했다.

현재 대면적 단결정 흑연 합성은 굉장히 도전적인 과제다. 이번 연구는 이를 위한 선행기술로서의 의미도 가진다. 공동 제1저자인 빈 왕(Bin Wang) 연구위원은 "얼마나 큰 고품질 흑연 필름을 만드느냐는 전적으로 단결정 그래핀 크기에 달렸다"며 "현재 약 4㎝ x 8㎝ 크기의 단결정 그래핀을 만드는 데 크기를 더 키울 예정이라 더 큰 고배향성 흑연 필름을 기대할 수 있다"고 말했다.

루오프 단장은 "흑연의 수많은 응용 분야와 수요를 감안했을 때, 품질이 좋은 대면적 단결정 흑연 필름은 중요한 기술"이라며 "지금까지 작은 조각 형태로 제조됐던 흑연을 대면적 필름 형태로, 더 나아가 단결정으로 합성하게 되면 산업에도 기여할 것"이라고 전망했다.

이번 연구결과는 영국왕립화학회(RCS)가 발행하는 재료 분야 권위지인 머티리얼즈 호라이즌스(Materials Horizons, IF 13.183) 1월 24일자에 게재됐다.

그림설명

▲ 그림 1. 열처리 초기 단계에서 고분자 안에 위치한 그래핀 층(붉은색 사각형 안에 보이는 검은색 선) 주변에 고배향성 탄소층이 얇게 형성되는 것을 관찰할 수 있다. (a) 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy, TEM), (b)고배율 TEM 사진

그림 2. 열처리에 따라 그래핀 층 주변에 형성됐던 고배향성 탄소층이 더 넓은 영역으로 확장되고 있다. (a) 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy, TEM), (b)고배율 TEM 사진