머리카락 굵기 10만분의 1···그런 다이아몬드 한국이 만들었다

머리카락 굵기의 10만분의 1
0.5나노미터의 초박막 다이아
반도체 소자 등 다양한 분야 응용



기초과학연구원 로드니 루오프 단장 연구팀에서 세상에서 가장 얇은 머리카락 10만분의 1 두께의 다이아몬드 박막을 만들었다. [사진 기초과학연구원]





세상에서 가장 얇은 다이아몬드가 등장했다. 기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 로드니 루오프 단장(UNIST 자연과학부 특훈교수) 연구팀은 간단한 공정만으로 그래핀을 머리카락 굵기의 10만분의1에 해당하는 0.5nm의 다이아몬드 박막(다이아메인ㆍDiamane)으로 변신시키는 데 성공했다고 10일 밝혔다. 다이아몬드를 2차원 평면 형태로 제작할 경우 다이아몬드의 우수한 물성을 반도체 소자를 비롯한 전기ㆍ기계ㆍ화학 등 다양한 분야에 폭넓게 이용할 수 있다. 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 나노테크놀로지’10일(한국시간) 온라인 판에 실렸다.

그래핀과 다이아몬드는 모두 탄소(C) 원자로만 이뤄져 있지만, 원자의 결합 형태가 다르다. 그래핀은 탄소 원자가 주변 탄소 원자 3개와 결합해 육각형 벌집 모양을 이룬 평면 소재다. 반면, 다이아몬드는 중심의 탄소 원자 1개가 주변 4개의 탄소 원자와 결합해 만든 정사면체가 상하좌우로 끊임없이 반복되는 구조다.

이런 결합 차이 때문에 두 물질의 차이가 크게 난다. 그래핀은 강도가 높고, 열과 전기를 잘 전달하는 것은 물론 2차원 물질이기 때문에 자유자재로 휘어진다. 반면, 다이아몬드는 열전도성과 강성이 뛰어나지만 전기가 통하지도 않고, 쉽게 휘어지지 않는다.




그래핀(왼쪽)과 다이아몬드(오른쪽)의 구조.





그간 전 세계적으로 그래핀의 결합구조에 변화를 줘 그래핀처럼 얇은 초박막 다이아몬드 즉, ‘다이아메인’을 합성하려는 연구가 등장했지만 아직 상용화에 이르지는 못했다. 결합구조를 변화시키는 과정에 매우 높은 압력이 필요해 제조비용이 비쌀 뿐만 하니라, 더러 압력이 낮아지면 다시 그래핀으로 돌아가는 등 안정성을 유지하지 못했기 때문이다.

연구진은 2개의 그래핀이 쌓인 구조의 이중층 그래핀으로 대기압에서도 안정적인 다이아메인을 세계 최초로 합성했다. 연구진이 개발한 공정은 상온ㆍ저압 조건에서 화학적 처리만을 거쳐 다이아메인을 합성할 수 있기 때문에 고압이 필요하던 기존 기술 대비 제조비용을 대폭 줄일 수 있다는 장점도 있다.

공동 교신저자이자 제1저자인 파벨 바카레브 연구위원은 “다층 그래핀을 다이아메인으로 변환시키기 위한 연구가 많이 보고됐지만, 제조과정이 복잡하거나 구조에 결함이 있는 경우가 많았다”며 “우리 연구진은 불소를 주입하는 과정을 통해 그래핀의 탄소결합을 다이아몬드와 같은 결합 형태로 간단히 바꿨고, 결함 역시 최소화했다”고 설명했다. 불소(F)화 과정을 통해 합성했다는 의미에서 연구진은 이 초박형 다이아몬드를 ‘F-다이아메인’으로 명명했다.


최준호 기자 joonho@joongang.co.kr


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