흑연의 큰 결정립은 우수한 전기전도와 열전도와 더물어 전자기 차폐 등에 우수한 성능을 지녀 배터리, 촉매, 원자력 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.
때문에 세계적으로 더 넓은 면적의 결정립과 매끄러운 층상구조를 갖춘 고품질의 인공흑연 생산을 위한 연구를 진행했다.
그러나 고온처리방식으로 제작한 인공흑연은 필름은 결정립 크기가 제한적이고 밀도가 낮으며, 표면이 고르지 않은 한계가 있다.
특히 흑연 필름을 고온에서 냉각할 때 열 수축으로 인한 주름이나 변형이 발생하기 쉬워 제작에 어려움이 많았다.
대면적 고품질 흑연 필름 제작공정 개발
기초과학연구원(IBS) 로드니 루오프 다차원탄소재료연구단장팀이 기존 합성 흑연보다 결정립이 1만 배 큰 ㎜ 단위 크기에 거울처럼 매끄러운 흑연 필름 생산법을 개발하는데 성공했다.
IBS 연구팀은 흑연을 성장시킨 후 니켈-몰리브데넘 합금 용융상태에서 니켈만 선택적으로 증발시켜 스펀지처럼 다공성이 높은 기판을 제작하는 방법을 고안했다.
실제 연구팀은 니켈과 몰리브데넘 포일을 쌓고 자체 제작한 줄 가열 시스템을 사용해 매끄럽고 평평한 니켈-몰리브데넘(Ni-Mo) 이원 합금 용융물을 생성했다.
여기에 탄소를 용해시켜 거울 같은 큰 결정립의 흑연 필름을 상단 표면에 합성하고, 이후 온도가 상승함에 따라 니켈이 점차 증발하면서 다공성 기판을 형성함에 따라 흑연-금속 계면을 제거할 수 있었다.
이렇게 만든 다공성 기판은 쿠션처럼 작용해 흑연이 구겨지지 않고 응력을 흡수, 필름의 주름이나 꺾임을 방지한다.
아울러 연구진은 주름 없는 표면과 ㎜ 크기 결정립을 가진 거울형 흑연을 합성하기 위한 최적 조합을 찾고자 여러 금속을 조합했다.
그 결과 니켈-몰리브데넘 조합이 기존 초당 6.2개 원자층이 성장하는 것 보다 20배 빠른 속도로 대면적 흑연 필름 생산에 유리했다.
이번에 합성한 흑연 필름은 기계적 테스트 결과 탄성계수 969㎬, 인장강도 1.29㎬를 기록했다. 이는 단결정 흑연의 이론적 한계에 매우 근접한 값으로, 지금까지 보고된 모든 대면적 합성 흑연 중 가장 뛰어난 수준이다.
더불어 이 필름은 다이아몬드와 유사한 열전도도와 높은 전기 전도도를 기록했다.
이 같은 고순도 흑연 필름은 AI칩 같은 고출력 전자장치 열 관리에 혁신을 가져올 수 있고, 미세전자기계시스템(MEMS) 및 센서에서 사용하는 초고강도·고전도성 부품으로도 활용될 수 있다.
또 마찰이 거의 없는 코팅재나 첨단 배터리 음극재로의 응용 가능성도 기대된다.
이번 연구의 공동 교신저자 성원경 IBS 연구위원은 “고품질 흑연 필름의 대면적 맞춤형 생산을 가능케 해 다양한 산업 분야에 상당한 파급 효과를 가져올 것으로 기대된다”고 말했다.
로드니 루오프 연구단장은 “이번 연구가 고품질 흑연을 활용한 응용 연구의 초석이 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.
한편, 이번 연구결과는 지난 12일 국제학술지‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 15.7)’ 온라인에 게재됐다.
