UNIST(총장 이용훈)는 펑 딩 신소재 공학과 교수이자 IBS 다차원탄소재료 연구단 그룹리더가 완벽한 단결정 흑연을 합성하는데 성공했다고 30일 밝혔다. 이번 연구는 북경대 연구팀과 공동으로 수행했다. 

흑연은 판상형 물질인 그래핀이 켜켜이 쌓여 있는 형태다. 이 그래핀 층들을 서로 고정하는 힘은 스카치테이프로 떼어낼 수 있는 수준으로 약한 특성이 있다. 실제 스카치테이프로 흑연에서 그래핀 분리해낸 과학자들은 노벨상을 받기도 했다. 하지만 이러한 특성 때문에 그래핀을 쌓는 방식으로는 고품질 흑연을 합성하기가 어렵다. 

연구팀에 따르면 합성에 성공한 흑연 필름은 천연흑연 또는 기존 인조 흑연과 달리 완벽한 단결정 형태다. 흑연 필름 면적이 인공적으로 합성된 밀리미터(mm)수준의 흑연보다 큰 1제곱인치인데다, 내부 불순물도 0에 가깝다는 설명이다. 특히 그래핀 층간 간격은 조밀할 수록 강도가 뛰어난데, 연구팀이 개발한 흑연 두께는 35마이크로미터(㎛) 정도로, 그래핀을 10만 층 쌓아 올려 높은 강도를 가진다.

연구팀이 이러한 흑연을 합성해낼 수 있었던 이유는 일반적으로 쓰는 기체가 아닌 고체 상태 탄소원료를 활용하는 새로운 합성법을 썼기 때문이다. 이 합성법은 원료가 기판 뒤에서 공급되는 방식이다. 기판으로는 특수 니켈 필름을 썼다. 관찰 가능한 결합이나 결정립계가 없는 단결정 형태이며 니켈 필름의 표면 전체도 흑연을 올려 단결정 형태로 합성하는 데 유리한 편평한 모양이다. 두께도 균일하다.

펑 딩 교수는 "인조 흑연 합성 기술이 나온 지 100년이 지났지만, 이 정도로 완벽한 수준의 흑연 필름이 유의미한 크기로 합성된 적이 없었다"라며 "이번에 합성된 흑연은 차세대 전자기기의 재료로 쓸 수 있을 것"이라고 설명했다. 

연구내용은 네이처 나노테크놀로지에 지난 27일자로 공개됐다.