보도일시	2020. 5. 28.(목) 조간(국제엠바고 5. 28. 00:00)부터 보도해주시기 바랍니다.
배포일시	2020. 5. 26.(화) 09:00	담당부서	기초연구진흥과
담당과장	이주원(044-202-4530)	담 당 자	강창원 서기관(044-202-4532)
관련기관	기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 펑딩 그룹리더(052-217-5703), 박윤재 연구원(052-217-2358)
다양한 표면 패턴 가진 대면적 금속 박막 합성 - 기초과학연구원 연구진, A4 용지보다 큰 단결정 금속 기판 제작… 네이처 게재 - - 그래핀 등 고성능 2차원 소재 합성 위한 핵심소재 다양화 성공 -

□ 기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단(단장 : 로드니 루오프) 펑딩 그룹리더(UNIST 특훈교수) 연구팀은 중국, 스위스 연구진과 함께 그래핀과 같은 고성능 2차원 소재 합성을 위한 금속 기판의 표면 패턴을 다양화하는데 성공하였다.

o 2차원 단결정 소재* 합성에 필요한 단결정 금속 박막은 패턴의 종류가 한정적이었는데, 기초과학연구원과 공동연구진이 이번에 30여 종의 다양한 표면 패턴을 가진 단결정 금속 박막을 대면적(39×21㎠)으로 합성한 것이다.

* 원자의 배열과 배향이 규칙적인 소재로 열․전기 전도도가 우수하여, 높은 성능을 내는 전자기기 소재로 사용.

o 이번 연구 성과가 세계 최고 권위의 학술지 네이처(Nature, IF 43.070) 온라인 판에 5월 28일 0시(한국시간) 게재되었다고 과학기술정보통신부(장관 최기영)와 기초과학연구원(원장 노도영)은 밝혔다.

□ 공동연구진은 소재 제조에 사용되는 금속 기판이 단결정 소재 대면적화의 열쇠를 쥐고 있음을 증명하여 지난해 네이처에 논문을 발표한 바 있다(‘19.05.23). 기판의 밀러 지수*에 따라 합성하는 소재의 배향이 달라진다는 것이다. 이번에는 더 나아가 다양한 밀러 지수를 갖는 금속기판을 합성할 수 있는 방법을 제시했다.

* 금속 기판의 패턴을 표현하는 지수로, 수직인 방향을 (hkl)이라는 지수로 표현한다. 이번 연구에서 고 밀러 지수는 지수 값이 각각 1을 넘는 것을 의미한다.

o 우선, 구리 단결정을 절단하여 원하는 패턴을 가진 파편(시드)을 얻었다. 표면 패턴은 소고기의 마블링처럼 결정을 절단하는 방향에 따라 달라진다.

o 이어 파편을 구리 다결정에 부착한 뒤, 녹는점에 가까운 고온(1020℃)에서 수 시간 동안 어닐링(annealing)*시켰다. 이때 파편 주변의 결정들은 파편과 동일한 패턴으로 재배열되고, 점점 넓은 범위로 확장된다. 결과적으로 박막 전체에 걸쳐 동일한 패턴을 갖는 단결정으로 변화하게 된다.

* 금속이나 유리를 일정한 온도로 가열한 다음 천천히 식혀 내부 조직을 고르게 하며 물성을 변화시키는 과정.

□ 개발된 기술을 활용하면 다양한 표면 패턴의 금속 박막을 대면적으로 합성할 수 있다. 기판 선택의 폭이 넓어진 만큼, 향후 적절한 기판을 골라 합성하고자 하는 소재의 배향을 조절하며 원하는 물성을 가진 고성능 2차원 소재 합성을 가능하게 할 것으로 기대된다.

o 연구진은 이번 연구에 쓰인 구리, 니켈뿐만 아니라 다양한 금속을 대면적 단결정 금속 박막의 형태로 제조할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 단결정 금속 박막 응용의 폭을 더욱 넓힌 것이다.

□ 펑딩 기초과학연구원(IBS) 그룹리더는 “다양한 결정면을 가진 대면적 단결정 금속 박막의 제작은 재료 과학 분야의 오랜 숙원과제였다”며 “이번 연구를 통해 합성된 대면적 단결정 금속 박막은 다양한 단결정 2차원 소재 합성을 위한 주형, 특정 화학 반응만을 선택적으로 일으키는 촉매 등 여러 방면에 사용될 수 있을 것”이라고 의미를 밝혔다.

<참고자료> : 1. 논문 정보          2. 연구이야기          3. 용어설명

4. 그림설명	5. 연구자 이력사항

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논문 정보

□ 논문명

◦ Seeded Growth of Large Single-Crystal Copper Foils with High-Index Facets

□ 저자

◦ Muhong Wu(공동 제1저자, 북경대/CAS), Zhibin Zhang(공동 제1저자, 북경대), Xiaozhi Xu(공동 제1저자, 화난사범대), Zhihong Zhang(공동 제1저자, 북경대), Yunrui Duan(IBS/산둥대), Jichen Dong(IBS), Ruixi Qiao(북경대), Sifan You(북경대), Li Wang(CAS), Jiajie Qi(북경대), Dingxin Zou(SUSTech), Nianze patternShang(북경대), Yubo Yang(북경공업대), Hui Li(산둥대), Lan Zhu(북경협화병원), Junliang Sun(북경대), Haijun Yu(북경공업대), Peng Gao(북경대), Xuedong Bai(CAS), Ying Jiang(북경대/CAS), Zhujun Wang(취리히연방공대), Feng Ding* (IBS/UNIST), Dapeng Yu*(SUSTech), Enge Wang*(북경대/CAS/랴오닝대), Kaihui Liu*(북경대)    * 공동 교신저자

□ 논문 주요내용

◦ 30여 종류의 다양한 표면 패턴을 가진 단결정 금속(구리, 니켈) 박막을 대면적으로 제조하는 기술을 개발했다.

◦ ‘시드 성장’과 ‘어닐링’ 이라는 두 가지 기술을 병합하여 한정된 표면 패턴의 금속 박막만 대면적 제작 가능하던 기존 한계를 극복했다.

◦ 금속 기판은 2차원 소재 합성의 주형으로 사용되는데, 표면 패턴은 합성하고자 하는 2차원 소재의 배향에 영향을 미친다. 즉, 소재의 구조와 금속 기판의 표면 패턴에 따라 2차원 소재의 단결정성/다결정성이 결정된다.

◦ 기판 선택의 폭이 넓어진 만큼, 향후 적절한 기판을 골라 합성하고자 하는 소재의 배향을 조절하여 원하는 물성을 가진 고성능 2차원 소재 합성이 가능해질 것으로 기대된다.

연구 이야기

□ 다양한 표면 패턴의 2차원 단결정 금속 박막을 대면적 합성한 것의 의미는?

텔레비전(TV) 모니터를 비롯해 핸드폰, 배터리 등 플렉서블·롤러블 전자기기를 만들기 위한 2차원 소재 개발 연구가 과학 및 산업계에서 진행되고 있다. 이러한 전자기기의 상용화를 위해서는 종잇장보다 수백만 배 얇은 2차원 소재가 필요하다.

2차원 물질은 단결정성(single crystalline) 혹은 다결정성(polycrystalline)을 갖는다. 단결정성 물질은 구성 원자들이 규칙적으로 배열되어 하나의 방향성을 갖는 것을 의미하며, 다결정성은 각기 다른 방향성을 갖는 단결정들이 하나로 합쳐진 것을 의미한다. 다결정 소재는 단결정과 달리 부러지기 쉽고, 전도성이 떨어지는 등 성질이 다르다.

‘콩 심은데 콩 나고, 팥 심은데 팥 나는’ 것처럼 단결정 2차원 소재를 합성하기 위해서는 단결정 금속 박막(기판)이 필요하다. 단결정 금속 박막은 대면적의 단결정 덩어리(bulk)를 절단한 매우 얇은 판이다. 단결정 금속 박막은 열 및 전기 전도성이 최적화된 금속 섬유를 제작하는데도 필요하다. 이 때문에 단결정 금속 박막의 합성은 과학 및 산업 분야에서 매우 중요하다.

단결정 금속 박막은 대면적의 단결정 덩어리(bulk)를 절단하여 얻어진다. 고기를 자르는 방향에 따라 마블링의 모양이 다른 것처럼, 단결정 덩어리를 절단 하는 방향에 따라 금속 박막의 표면 패턴이 달라진다. 하지만 이 방식으로는 원하는 표면 패턴을 갖는 대면적 단결정 금속 박막을 얻기 어렵다. 소재의 단결정/다결정성은 주형으로 사용하는 금속 기판의 종류 및 패턴에 따라 달라진다. 다양한 표면 패턴을 가진 금속 기판을 확보할 경우 적재적소에 배향을 제한 및 조절하며 단결정 소재를 합성할 수 있다.

□ 지난 해 Nature에 게재한 연구에서 추가로 어떤 성과를 냈나?

연구진은 2019년 5월 23일 국제학술지 네이처(Nature)에 단결정 제조에 사용되는 금속 기판이 2차원 단결정 소재 대면적화(化)의 열쇠임을 증명했다. 금속 기판의 밀러 지수가 합성하고자 하는 소재의 배향에 영향을 주어 단결정성 혹은 다결정성 형성을 결정한다는 내용이다. 즉, 기판의 패턴이 2차원 소재 합성 과정을 제어한다는 것이다.

이번 연구에서는 시드 성장 방법을 통해 다양한 밀러 지수를 갖는 박막을 합성할 수 있는 방법을 제시하고, A4 종이와 유사한 크기의 대면적(39×21㎠) 단결정 구리 박막을 합성했다. 이 과정에서 펑딩 IBS 다차원 탄소재료 연구단 그룹리더 팀은 이론적 분석을 통해 다결정성을 갖는 대면적 구리 박막의 단결정화를 위해 표면 에너지(surface energy) 제어가 주요한 역할을 한다는 것을 증명했다. 이 방법을 통해 30종류 이상의 고 밀러 지수를 갖는 금속 박막을 합성했다.

□ 단결정 대면적 구리 박막, 어떻게 합성했나?

연구진은 그래핀을 비롯한 2차원 소재 합성에 많이 사용되는 구리(Cu) 박막으로 실험을 진행했다. 지금까지는 구리까지는 구리(111)을 비롯해 표면 에너지가 가장 낮은 박막 몇 종류만 대면적으로 합성할 수 있었다. 이 때문에 연구진은 구리 박막의 표면 에너지를 조절하여 합성을 제어할 수 있는 방법을 제시했다.

다결정성의 구리 박막을 산화시키면, 구리 산화물(CuxO)이 형성되며 표면 에너지가 달라진다. 이후 어닐링 과정을 거치면 다결정성 구리 박막은 단결정으로 변하게 된다. 이렇게 얻어진 구리는 무작위의 패턴을 갖게 된다. 다결정 구리 박막 내 주로 존재하는 단결정 패턴에 따라 전체적인 패턴이 결정되기 때문이다. 이 단결정성의 구리를 원하는 패턴(혹은 고 밀러지수)을 갖는 단면으로 절단해 구리 파편(시드)을 얻는다.

이후 이 파편을 다결정 구리 박막에 부착한 뒤, 구리의 녹는점에 가까운 고온(1020℃)에서 수 시간 동안 어닐링을 진행했다. 이 과정에서 구리 파편 근처의 결정들이 재배열하며 구리 파편과 동일한 패턴을 가지게 된다. 구리 파편과 동일한 패턴 영역이 점점 넓은 범위로 확장되어 성장하고, 결과적으로 구리 파편과 동일한 패턴을 갖는 대면적의 단결정을 제조할 수 있었다.

□ 이번 연구가 향후 어떻게 응용될 수 있을까?

이번 연구는 2차원 소재 합성에 사용되는 다양한 표면 패턴을 갖는 단결정 전이금속 기판을 합성하는 실용적인 방법을 제시했다. 향후 다른 금속 혹은 합금에 적용하여 다양한 단결정 금속 박막의 대면적 합성이 가능할 것으로 예상된다. 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.

용 어 설 명

1. 네이처(Nature) 誌

○ 자연과학 분야 세계최고 권위 학술지(Impact Factor : 43.070)

2. 2차원 소재

○ 원자들이 단일 원자층 두께(약 1nm)를 가지고 평면에서 결정구조를 이루는 물질이다. 같은 원소로 이뤄진 물질이라도 차원에 따라 원자들 사이의 결합이 달라지고 이로 인해 소재의 물리‧화학적 특성이 서로 다르다.

2. 단결정(Single crystal)과 다결정(Polycrystal)

○ 소재 전체에 걸쳐 내부 원자들이 규칙적으로 배열된 재료를 단결정, 패턴이 서로 다른 단결정들이 뭉친 형태를 다결정 재료라고 한다. 우리가 주변에서 흔히 볼 수 있는 대부분의 소재들은 다결정 형태다.

3. 표면 에너지(Surface Energy)

○ 원자들은 열역학적으로 다른 원자, 분자 혹은 이온 등과 결합하여 안정해지려는 성질이 있다. 그러나 표면의 경우 내부와는 다르게 결합을 완전하게 하지 못하고 남은 부분이 존재하여 여분의 에너지가 생긴다. 이를 표면 에너지라한다.

4. 시드 성장 방법(Seeded growth method)

○ 나노입자 혹은 박막을 합성하는 방법 중 하나로 합성하고자 하는 물질의 파편 등을 시드로 사용하여 시드를 중심으로 주변 입자의 배열을 정렬시켜 박막을 합성하는 방법이다.

5. 밀러 지수 (Miller index)

○ 밀러 지수는 금속 기판의 패턴을 나타내며, 결정면의 수직인 방향을 (hkl)로 표현한다. 결정면이 x, y, z 축과 각각 a, b, c에서 만날 때 밀러지수는 1/a, 1/b, 1/c의 최소정수비로 나타낸다. 가령, 직교좌표계 상의 3, 2, 1과 만나는 결정면의 밀러지수는 역수인 1/3, 1/2, 1에 최소공배수인 6을 곱한 값인 2, 3, 6이 된다.

6. 어닐링(Annealing) 과정

○ 아르곤이나 수소 대기 환경에서 금속을 일정 온도에 노출시켰다가 급속으로 냉각하고, 또 다시 일정 시간 동안 같은 온도에 노출시키는 공정이다. 이 과정을 통해 금속 박막 내 원자들이 재배열 하게 된다.

그 림 설 명

[그림 1] 고 밀러 지수를 갖는 대면적 단결정 구리 박막의 모습

공동연구진은 기존에는 합성이 어려웠던 고 밀러 지수의 단결정 박막을 대면적으로 합성했다. 이 연구에서 고 밀러 지수는 각 지수의 값이 1을 넘는 것을 의미한다.

[그림 2] 고 밀러 지수를 갖는 대면적 단결정 구리 박막 형성 메커니즘

다결정 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).

[그림 3] 고 밀러지수를 갖는 구리 박막의 시드 성장과정

파편(시드)이 부착된 다결정 구리에 어닐링 과정을 거치면, 시드 주변의 결정들이 파편과 동일한 패턴으로 재배열하며 서서히 단결정으로 변화한다. 이를 통해 얻은 대면적의 단결정 구리 박막은 시드와 같은 표면 지수를 갖는다(a). (b)는 분자 동역학(Molecular Dynamics) 시뮬레이션을 통해 다결정성 구리박막이 대면적 단결정으로 변화하는 과정을 분석한 결과이다.

연구자 이력사항

<펑 딩(Feng Ding) IBS 다차원 탄소재료 연구단 그룹리더 및 UNIST 특훈교수, 공동교신저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단

울산과학기술원(UNIST) 신소재공학부 특훈교수

○ 전 화 : 052-217-5703

○ E-mail : f.ding@unist.ac.kr

2. 학력

○ 1993  학사, Huazhong University of Science and Technology, 물리

○ 1996  석사, Fudan University, 물리

○ 2002  박사, Nanjing University, 물리

3. 경력사항

○ 1996 – 1999  Qufu Normal University, 조교수

○ 2002 – 2003  Qufu Normal University, 부교수

○ 2009 – 2013  Hong Kong Polytechnic University, 조교수

○ 2013 – 2016  Hong Kong Polytechnic University 부교수

○ 2017 – 현재  기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 그룹리더

○ 2017 – 현재  울산과학기술원(UNIST) 특훈교수

<지첸  동(Jichen Dong), IBS 다차원 탄소재료 연구단 연구위원, 공동저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단

○ 전 화 : 052-217-2358

○ E-mail : dongjchzln@gmail.com

2. 학력

○ 2010  학사, Shandong University, 재료 과학 및 공학

○ 2013  석사, Shandong University, 재료 과학 및 공학

○ 2016  박사, City University of Hong Kong, 재료 과학 및 공학

3. 경력사항

○ 2016 – 현재  기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단, 연구위원