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고성능 전자소자 만드는 단결정 포일 쉽고 싸게 제조한다

2018년 10월 19일 03:00

IBS, 간단 공정으로 값싼 다결정 금속포일
고품질 단결정 금속포일로 만드는 데 성공
제조비용 1000분의 1 수준으로 낮춰
경제적인 고성능 촉매, 태양전지 소자 기대

 

국내 연구진이 값싼 다결정 금속 포일을 고성능 전자소자를 구현할 수 있는 단결정 금속 포일로 바꿀 수 있는 기술을 개발했다. 기존보다 1000분의 1 낮은 비용으로 고품질의 단결정 금속 포일을 제조할 수 있고, 구리(Cu)와 니켈(Ni), 코발트(Co), 백금(Pt) 등 다양한 금속에 적용 가능해 고효율 태양전지, 고성능 촉매 등을 개발하는 단초가 될 것으로 기대를 모은다.

 

로드니 루오프 기초과학연구원(IBS) 다차원탄소재료연구단장(울산과학기술원(UNIST) 특훈교수) 연구팀은 신형준 UNIST 교수팀, 유원종 성균관대 교수팀과 공동으로 값싼 상용 다결정 금속 포일을 이용해 고부가 가치의 단결정 금속 포일을 쉽게 대면적으로 제조할 수 있는 기술을 개발했다고 국제학술지 ‘사이언스’ 19일자 온라인판에 발표했다. 루오프 단장은 “논문이 통과된 지 일주일 만에 출판됐다”며 “그만큼 획기적인 연구 성과로 평가되고 있다”고 밝혔다.
 

이미지 확대하기다결정 금속 포일로 단결정 금속 포일을 손쉽게 제조할 수 있는 무접촉 열처리 공정. 녹는점에 가까운 고온을 가해 주면 원자의 배열이 균일해지는 현상에 착안했다. - 기초과학연구원(IBS) 제공
다결정 금속 포일로 단결정 금속 포일을 손쉽게 제조할 수 있는 무접촉 열처리 공정. 녹는점에 가까운 고온을 가해 주면 원자의 배열이 균일해지는 현상에 착안했다. - 기초과학연구원(IBS) 제공

다결정은 원자가 불규칙적으로 배열돼 수많은 결정립으로 이뤄진 결정으로, 중간 중간 결정립 간의 경계가 있어 구조나 특성이 균일하지 않다. 반면 단결정은 원자가 규칙적으로 배열돼 하나의 결정립으로 이뤄진 결정이다. 결정립 간의 경계가 없어 전기전도도 같은 물성이 매우 우수하며 산화나 부식에도 강하다. 논문의 제1저자인 진성환 IBS 연구위원(UNIST 박사후연구원)은 “예를 들어 같은 금속으로 태양전지 패널을 만들 경우 다결정 태양전지는 최대 효율이 20%에 그치지만, 단결정 태양전지는 최대 효율이 25%를 육박한다”고 설명했다.
 
하지만 단결정은 제조비용이 비싸고 대면적으로 제작하기가 어렵다는 한계 탓에 일부 분야에만 제한적으로 사용돼왔다. 예를 들어, 다결정 구리 포일의 제조단가는 ㎠당 38원 수준이지만 단결정 구리 포일은 ㎠당 18만 원에 이른다. 같은 금속 포일이라도 가격에서 수천 배 차이가 나는 셈이다.
 
연구진은 무접촉 열처리 공정을 새롭게 개발해 단결정 금속 포일 제조비용을 기존 대비 1000분의 1 비용으로 낮추는 데 성공했다. 이 공정은 다결정 금속 포일을 공중에 매달고 수소 기체를 흘려보낸 뒤 열처리를 하는 방식으로 매우 간편하다. 녹는점에 가까운 고온을 가했을 때 불규칙했던 포일의 원자 배열이 규칙적으로 바뀐다는 사실을 발견하고, 원자의 배열을 흐트리거나 변형되지 않도록 무접촉 방식을 택한 것이다.

 

진 연구위원은 “다결정 금속 포일의 여러 결정립 중에 가장 표면에너지가 낮은 결정립을 중심으로 주변 결정립들이 합쳐져 하나의 결정립이 되고, 결국엔 포일 전체가 단결정이 되는 것으로 나타났다”고 설명했다.
 

이미지 확대하기다결정 금속 포일이 단결정이 돼가는 과정. 표면에너지가 가장 낮은 결정립을 중심으로 주변의 결정립들이 합쳐지면서 하나의 결정립이 된다. - 기초과학연구원(IBS) 제공
다결정 금속 포일이 단결정이 돼가는 과정. 표면에너지가 가장 낮은 결정립을 중심으로 주변의 결정립들이 합쳐지면서 하나의 결정립이 된다. - 기초과학연구원(IBS) 제공

연구진은 이런 방식으로 실험실 단위에서 제조할 수 있는 최대 면적인 32㎠(4×8㎝)까지 단결정 구리 포일을 만들었다. 단결정 구리 포일의 구조와 특성을 정밀 분석한 결과, 모든 원자가 한 방향으로 균일하게 정렬돼 있었고 원재료로 사용된 다결정 구리 포일보다 전기저항이 7%가량 낮아진 것으로 확인됐다. 니켈, 코발트, 백금, 팔라듐 등 다른 종류의 금속으로도 대면적의 단결정 포일을 만들 수 있었다. 
 
연구진은 단결정 금속 포일을 기판으로 사용해 다결정 그래핀보다 전기적 특성이 우수한 단결정 그래핀을 기판 크기만큼 성장시키는 데도 성공했다. ‘꿈의 소재’로 불리는 그래핀은 탄소 원자 한 층으로 이뤄진 2차원 소재다. 진 연구위원은 “단결정 금속 포일 덕분에 고품질의 2차원 소재를 대면적으로 만들 수 있게 됐다”며 “향후 태양전지, 촉매 등 다양한 분야에 활용할 수 있도록 후속 연구를 진행할 계획”이라고 밝혔다.
 
루오프 단장은 “금속 포일의 면적은 향후 실용화 단계에서 응용 분야에 따라 충분히 커질 수 있다”며 “단결정 그래핀 역시 기판의 크기가 커지면 그만큼 더 대면적으로 만들 수 있을 것”이라고 밝혔다. 이어 그는 ”단결정 금속 포일 제조 기술은 많은 연구자들의 노력에도 불구하고 지난 수십 년 간 결실을 맺지 못했던 기술이기 때문에 더욱 의미가 깊다”며 ”실리콘 단결정 성장 기술의 발견이 현재 반도체의 역사를 연 것처럼 다양한 분야에 응용돼 세상을 바꿔나갈 것“으로 기대했다.

 

루오프 단장은 미국의 글로벌 학술정보회사인 클래리베이트 애널리틱스(옛 톰슨로이터 지적재산과학사업부)가 예측한 ‘2018 노벨상 수상 유력 후보(Citation Laureates)’에 이름을 올린 바 있다. 유리 고고치 미국 드렉셀대 교수, 빠뜨리스 시몽 프랑스 폴사바띠에대 교수와 함께 노벨 물리학상 수상 유력 후보에 뽑혔다. 에너지 저장을 비롯해 탄소 기반 물질을 이해하고 개발하는 데 기여하고 특히 슈퍼커패시터의 작동 메커니즘을 밝히는 데 중요한 발견을 이끈 공로를 인정받았다.


송경은 기자

kyungeun@donga.com

 

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