크고 매끄러운 고품질 '흑연필름' 만든다…생산기술 개발

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 크고 매끄러운 고품질 흑연 필름을 제작할 수 있는 기술을 확보했다.

기초과학연구원(IBS)은 다차원탄소재료연구단 로드니 루오프 연구단장팀이 기존 합성 흑연보다 약 1만배 큰 밀리미터(㎜) 크기의 결정립을 가진 거울처럼 매끄러운 흑연 필름 생산법을 개발했다고 12일 밝혔다.

전기와 열이 잘 통하는 성질을 갖는 흑연은 방향에 따라 서로 다른 성질을 보이는 '이방성(anisotropy)' 특성을 가졌으며 배터리 음극재를 비롯해 촉매, 원자력 기술 등 다양한 분야에서 널리 활용되고 있다.

기존의 고온 처리방식으로 생성된 흑연은 결정립 크기가 제한적이고 밀도가 낮으며 표면이 고르지 않다는 한계가 있다. 또 흑연 필름은 결정 크기가 작고 냉각 과정에서 주름이나 변형이 발생하기 쉬워 제작에 어려움이 많았다.

IBS 연구팀은 '다공성 기판' 전략을 활용해 크기와 밀도 제한 등 기존의 문제를 극복했다.
 
연구팀은 흑연을 성장시킨 뒤 니켈-몰리브데넘(Ni-Mo) 합금의 용융(액체) 상태에서 니켈만 선택적으로 증발시켜 스펀지처럼 다공성이 높은 기판을 제작했다. 이런 다공성 기판은 쿠션처럼 작용해 흑연이 구겨지지 않고 응력을 흡수해 필름의 주름이나 꺾임을 방지한다.

연구팀은 주름없는 표면과 밀리미터 크기의 결정립을 가진 거울형 흑연을 합성하기 위한 최적의 조합에 대한 연구를 진행해 니켈-몰리브데넘(Ni-Mo) 조합이 가장 좋은 성능을 제공한다는 사실을 확인했다.

이 조합을 사용하면 초당 6.2개의 원자층이 성장하는 기존 방식 대비 20배 이상 빠른 속도로 흑연이 성장해 대면적 흑연 필름 생산에 매우 유리하다.

이번에 합성된 흑연 필름에 대한 테스트 결과, 969기가파스칼(GPa)의 탄성계수와 1.29기가파스칼(GPa)의 인장강도를 보여줬다. 단결정 흑연의 이론적 한계에 매우 근접한 값이며 지금까지 보고된 모든 대면적 합성 흑연 중 가장 뛰어난 수준이다.

특히 이 필름은 다이아몬드와 유사한 탁월한 열전도도와 높은 전기 전도도를 기록했다.
 
결함이 없는 고순도의 흑연 필름은 AI(인공지능) 칩과 같은 고출력 전자장치의 열 관리에 혁신을 가져올 수 있으며 MEMS(미세전자기계시스템) 및 센서에서 사용되는 초고강도·고전도성 부품으로도 활용될 수 있다. 마찰이 거의 없는 코팅재나 첨단 배터리 음극재로의 응용 가능성도 기대된다.

이번 연구 결과는 12일 오후 6시(한국시간) 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 온라인판에 게재됐다.(논문명:Synthesis and Properties of Mirror-Like Large-Grain Graphite Films)

공동 교신저자 IBS 성원경 연구위원은 "이번 연구는 고품질 흑연 필름의 대면적 맞춤형 생산을 가능케 해 다양한 산업분야에 상당한 파급 효과를 가져올 것으로 기대된다"고 말했다.

로드니 루오프 연구단장은 "고품질 흑연에 대한 우리의 기초연구는 전 세계 다른 연구그룹의 심도있는 연구의 토대가 될 것"이라며 "흑연을 활용한 응용 연구의 초석으로 활용되길 기대한다"고 밝혔다.


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