그래핀으로 새로운 다이아몬드 제작 성공

■ 그래핀으로 새로운 다이아몬드 제작 성공

 

● IBS 연구팀 "새로운 유연한 다이아몬드, 다양한 분야 활용 기대"

 

세상에서 가장 얇은 다이아몬드가 등장했다. 전혀 새로운 형태의 유연한 다이아몬드(diamond)를 만든 것이다. 기초과학연구원(IBS)은 다차원 탄소 재료 연구단 로드니 루오프 단장(UNIST 자연과학부 특훈 교수) 연구팀이 울산과학기술원(UNIST)과 공동으로 간단한 공정만으로 그래핀을 다이아몬드 박막으로 변환시키는데 성공했다고 2019년 12월 10일 밝혔다. 그래핀과 다이아몬드는 탄소 원자로만 이뤄진 탄소 동소체(원소 종류는 같지만 배열 방법이 다른 물질)이다.

 

그래핀(Graphene)은 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. 다이아몬드(diamond)는 중심부 탄소 원자가 주변 4개의 탄소 원자와 결합(SP3)해 만든 정사면체가 끊임없이 반복되는 형태의 3차원 물질이다. 이 같은 결합 차이로 그래핀(Graphene)은 열과 전기 전도도가 높고 유연성이 뛰어나지만, 다이아몬드(diamond)는 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(화학 물질이 기판 위에 막을 형성하도록 하는 방법)을 이용해서 구리 니켈 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 국제 학술지 '네이처 나노테크놀로지' 2019년 12월 10일 온라인판에 실렸다.