국내 연구진이 전기전도도 등 물리적 특성이 우수한 고부가가치의 '단결정 금속 포일'을 싸고 손쉽게 제조할 수 있는 기술을 개발했다.
기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 로드니 루오프 단장(UNIST 특훈교수) 연구팀은 19일 신형준 울산과학기술원(UNIST) 교수, 유원종 성균관대 교수와 공동으로 싼값에 살 수 있는 다결정 금속 포일을 열처리하는 방법으로 고부가가치의 단결정 금속 포일을 손쉽게 제조할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.
이 연구 결과는 과학저널 '사이언스'(Science)에 이날 게재됐다.
단결정 재료는 재료 전체에서 원자가 규칙적으로 배열된 상태로, 배열방향이 서로 다른 단결정들이 합쳐진 다결정 재료보다 물리적 특성이 우수하다.
한 예로 단결정 실로콘 태양전지 효율은 25%로 다결정 실리콘 태양전지(20.4%)보다 훨씬 높다. 단결정 금속 포일은 다결정 금속 포일에 비해 표면 특성이 균일하고 전기전도도가 우수하지만 제조비용이 비싸고 대면적 제작이 어려운 한계가 있어 일부 분야에만 제한적으로 사용되고 있다.
연구팀은 이 연구에서 '무접촉 열처리'(contact-free annealing)라는 새로운 제조 공정을 개발해 기존 제조법의 1000분의 1 정도 비용으로 최대 32㎠의 대면적 단결정 금속 포일을 제조하는 데 성공했다.
무접촉 열처리 기술은 다결정 금속 포일을 공중에 매달고 산화 반응을 일으킬 수 있는 산소 등을 완전히 차단한 채 수소와 아르곤 가스만 있는 상태에서 금속의 용융점에 가까운 고온으로 가열하는 방식이다.
이 공정에서 두께 100㎛ 이하인 다결정 금속 포일 안에 무질서하게 흩어져 있던 금속 원자들이 가장 안정되고 규칙적인 단결정 구조로 재배열되면서 4㎝×8㎝ 넓이의 금속 포일 90% 이상이 단결정으로 바뀐다.
이 기술로 만든 단결정 구리 포일은 원재료인 다결정 구리 포일보다 전기저항이 7%가량 낮은 우수한 전기적 특성을 보였다. ㎠당 38원 수준인 다결정 구리 포일이 공정을 거친 뒤 18만원 수준의 단결정 포일로 바뀐 것이다.
연구팀은 또 무접촉 열처리로 제작한 단결정 금속 포일을 기판으로 사용해 다결정보다 전기적·열적 성능이 우수한 단결정 그래핀을 대면적으로 성장시키는 것도 가능하다는 것을 실험으로 확인했다.
연구팀은 이번에 개발된 공정은 단결정 금속의 제조비용을 대폭 절감해 단결정 금속의 상용화와 단결정 그래핀 등 차세대 전자소재 개발에 기여할 것으로 기대하고 있다.
로드니 루오프 단장은 "이 연구를 통해 구리, 니켈, 코발트, 백금 등 다양한 금속들을 손쉽게 단결정으로 전환할 수 있음을 증명했다"며 "실리콘 단결정 성장 기술의 발견이 현재 반도체의 역사를 연 것처럼 이 기술이 다양한 분야에 응용될 것으로 기대한다"고 말했다.
한경닷컴 뉴스룸 open@hankyung.com
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