값싼 상용 다결정 금속 포일로부터 고부가가치의 단결정 금속 포일을 손쉽게 제조할 수 있는 기술이 개발됐습니다. 이는 향후 제조비용을 1/1,000 낮출 수 있을 것으로 보입니다.
기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 로드니 루오프 단장 연구팀이 UNIST 신형준 교수와 성균관대학교 유원종 교수와 공동으로 단결정 금속 포일을 쉽게 제조할 수 있는 기술을 개발했습니다. 여기서 단결정이란 재료 전체에서 원자가 규칙적으로 배열된 상태를 말합니다.
단결정 금속 포일은 다결정 금속 포일에 비해 표면 특성이 균일하고 전기전도도가 우수한 장점이 있지만, 제조비용이 비싸고 대면적 제작이 어렵다는 한계로 일부 분야에만 제한적으로 사용됐습니다.
연구팀은 '무접촉 열처리'라는 새로운 제조 공정을 개발해 기존보다 1/1,000 낮은 제조비용으로 최대 32제곱센티미터의 대면적 단결정 금속 포일 제조에 성공했습니다. 이번에 개발된 무접촉 열처리 기술은 다결정 금속 포일을 공중에 매단 상태에서 수소 대기 하에 고온의 열을 가하는 것만으로 손쉽게 단결정 금속 포일을 제조할 수 있는 공정입니다.
공정 과정을 자세히 살펴보자면, 공중에 매달린 다결정 금속 포일의 여러 결정 중 가장 표면에너지가 낮은 결정이 점점 거대하게 성장합니다. 이후, 결정이 점차 커지다 결국 주변 결정을 흡수해 결국엔 거대한 하나의 커다란 결정으로 변합니다.
연구진에 따르면, 결정의 형성과 성장에는 표면 에너지가 가장 중요한 인자로 작용하는데, 표면에너지가 낮다는 것은 내부 원자들이 촘촘하게 배열돼 있다는 걸 의미합니다. 연구진의 컴퓨터 시뮬레이션 분석 결과, 표면 에너지를 낮춰 가장 안정적인 상태를 이루는 방향으로 결정이 회전하고 성장하는 것을 확인할 수 있었습니다.
이 기술로 제조한 단결정 구리 포일은 원재료로 사용된 다결정 구리 포일에 비해 전지저항이 7%가량 낮은 우수한 전기적 특성을 나타냅니다. 참고로 단결정 구리 포일이란 알루미늄 포일처럼 얇게 펴진 구리를 말합니다. 또한 연구진은 무접촉 열처리로 제작한 단결정 금속 포일을 기판으로 사용해 다결정에 비해 전기적‧열적으로 성능이 우수한 단결정 그래핀을 성장시키는데도 성공했습니다.
이번에 개발된 공정은 단결정 금속의 제조비용을 대폭 절감해서 단결정 금속의 상용화에 기여할 것으로 평가됩니다. 뿐만 아니라 단결정 그래핀을 촉매로 사용해 '꿈의 신소재'로 불리는 단결정 그래핀 등 차세대 전자소재 개발을 견인할 수 있을 것으로 기대됩니다.
로드니 루오프 단장은 "구리, 니켈, 코발트, 백금 등 다양한 금속들을 손쉽게 단결정으로 전환할 수 있음을 증명했다"며 "실리콘 단결정 성장 기술의 발견이 현재 반도체의 역사를 연 것처럼 다양한 분야에 응용돼 세상을 바꿔나갈 것으로 기대한다"고 밝혔습니다. 이 연구는 <SCIENCE>에 게재됐습니다.
