그래핀 같은 얇은 소재 만들때 합성 공식 있다

UNIST 펑 딩 교수팀, 2차원 신소재 합성 이론 발견

대칭성이 낮은 금속 기판 위에서 단결정으로 합성된 다양한 물질의 결정섬 모양. UNIST 제공

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 그래핀처럼 얇은 2차원 형태로 만드는 소재 합성 공식을 발견했다. 연구진은 이 합성 공식을 실제 실험에 적용해 새로운 얇은 형태의 물질을 만들어낼 계획이다.

울산과학기술원(UNIST)는 펑 딩 교수팀(IBS 다차원 탄소재료 연구단 그룹리더)이 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 매우 얇은 소재를 합성하는 공식을 발견했다고 21일 밝혔다. 이 공식은 에피택시 합성에서 결정섬 모양의 대칭성과 기판 표면 모양의 대칭성간 상관관계가 단결정 2차원 물질 합성에 영향을 준다는 것. 즉 기판 표면 모양의 대칭군이 결정섬 모양 대칭군의 부분군이어야만 2차원 물질이 단결정 형태로 합성된다는 것을 연구진이 밝혀낸 것이다.

에피택시 합성법은 금속기판 위에 듬성듬성 생긴 작은 결정 조각들을 이어 붙여 하나의 큰 단결정을 얻는 방법이다.

대칭군의 원소는 특정 모양을 회전하거나 수평· 수직 평면에 반사했을 때 원래 모양과 같은 형태가 나타나는 행위(조작)이다.

연구진이 제안한 이론은 과거의 2차원 나노물질을 대면적 단결정으로 합성한 여러 사례와 모두 일치했다.

단결정은 물질 구성 원자의 배열이 규칙적이며 하나의 배향, 즉 원자들이 이어진 방향성이 하나로 갖는 형태다. 배향이 다른 단결정 여러 개로 이뤄진 다결정보다 품질은 우수하지만, 상용화가 가능한 수준으로 크게 합성하기 어렵다.

에피택시 합성법은 이를 극복할 단결정 2차원 소재 합성법으로 떠오르고 있다. 이를 통해 차세대 반도체나 전자재료로 주목받는 단결정 그래핀, 육방정계 질화붕소, 이황화몰리브덴 등의 2차원 물질이 대면적으로 합성된 바 있다.

하지만 이러한 2차원 물질의 대면적 합성이 가능한 특정 조건이 제시된 적은 없었다.

펑 딩 교수는 "일반적으로 기판 표면 모양의 대칭성이 낮을수록, 기판 표면 모양의 대칭군이 결정섬 모양 대칭군의 부분군일 확률이 높아진다"며 "이는 표면 모양의 대칭성이 낮은 기판을 이용해 2차원 단결정을 더 쉽게 합성할 수 있음을 의미한다"고 설명했다.

이번 연구 결과는 세계적인 학술지인 '네이처 커뮤니케이션즈' 온라인에 11월 17일자로 공개됐다.

[e-mail] 김만기 기자