단결정 그래핀(붉은 상자) 주변에 결정 방향이 비슷한 고품질 흑연이 만들어지는 장면. /사진제공=UNIST배터리 전극이나 스마트폰의 방열판에는 흑연이 쓰인다. 값싼 재료인 데다 전기가 잘 흐르고, 뜨거운 온도에도 잘 견디기 때문이다. 흑연 품질이 높아지면 제품 성능도 좋아지는데, 울산과학기술원(UNIST) 연구팀이 고품질 흑연을 만드는 새 방법을 개발했다.
로드니 루오프 UNIST 자연과학부 특훈교수(IBS 다차원 탄소재료 연구단장)가 이끄는 연구팀은 단결정 그래핀을 사용한 열처리 공정으로 흑연 결정이 나란하게 정렬된 ‘고품질 흑연’을 제조했다고 6일 밝혔다.
흑연을 포함한 대부분 재료는 다결정 구조를 가지는데, 이런 다결정 재료는 결정들이 만나는 경계면에 결함이 존재해 물질 고유 특성이 저하된다. 자연에서 발견되는 흑연은 물론 인공적으로 합성한 인조 흑연도 다결정 구조다. 아직 대면적 단결정 흑연을 만드는 기술은 개발되지 못했다.
연구팀은 화학기상증착법으로 성장시킨 단결정 그래핀을 탄소 기반 물질 내부에 위치시키고 열처리했다. 무질서하게 배열됐던 탄소 원자들은 고온에서 그래핀의 완벽한 육각형 구조를 복사해 재배열됐다. 열처리 온도가 더 높아지자 그래핀 단결정의 템플릿 효과가 더 커졌다.
루오프 교수는 “흑연의 수많은 응용 분야와 수요를 고려했을 때, 품질이 좋은 대면적 단결정 흑연 필름은 중요한 기술”이라며 “지금까지 작은 조각(Flake) 형태로 제조됐던 흑연을 대면적 필름 형태로, 더 나아가 단결정으로 합성하게 되면 산업에도 기여할 것”이라고 전망했다.
