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그래핀이 세상에서 가장 얇은 다이아몬드로 변신

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[파이낸셜뉴스] 세상에서 가장 얇은 다이아몬드가 등장했다. 기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 단장인 로드니 루오프 UNIST 자연과학부 특훈교수는 UNIST 연구팀과 공동으로 간단한 공정만으로 그래핀을 나노미터 두께의 다이아몬드로 변신시키는 데 성공했다.

연구진이 다이아몬드와 그래핀의 장점만을 살린 초박막 다이아몬드 즉, 다이아메인을 합성하는데 세계 최초로 성공한 것이다. 연구진이 개발한 공정은 상온·저압 조건에서 화학적 처리만을 거쳐 다이아메인을 합성할 수 있기 때문에 고압이 필요하던 기존 기술 대비 제조비용을 대폭 줄일 수 있다는 장점도 있다.

그래핀과 다이아몬드는 모두 탄소(C) 원자로만 이뤄져 있지만, 원자의 결합형태나 성질이 다르다. 그래핀은 탄소 원자가 육각형 벌집 모양을 이룬 평면 소재로 열과 전기를 잘 전달하고 자유자재로 휘어지면서도 강도가 높다. 반면, 다이아몬드는 탄소 원자가 만든 정사면체로 상하좌우 끊임없이 반복돼 뛰어난 열전도성과 기계적 강도를 가졌지만 전기가 통하지도 않고, 쉽게 휘어지지 않는다.

공동 교신저자이자 제1저자인 파벨 바카레브 연구위원은 "불소를 주입하는 과정을 통해 간단히 그래핀의 탄소결합을 다이아몬드와 같은 결합형태로 바꿨고, 결함 역시 최소화했다"고 설명했다.

우선 연구진은 화학기상증착법(CVD)을 이용해 구리니켈(CuNi) 합금 기판 위에서 이중층 그래핀을 제작한 뒤, 불소 기체를 주입했다. 주입된 불소는 그래핀과 화학반응을 일으키며 두 층간에서 탄소결합이 생기도록 유도해 필름 형태의 다이아몬드가 만들어진다. 불소화 과정을 통해 합성했다는 의미에서 연구진은 이 초박형 다이아몬드를 'F-다이아메인'으로 명명했다. 연구진이 합성한 F-다이아메인의 두께는 0.5nm에 불과하다.

로드니 루오프 단장은 "유사 다이아몬드 구조체 합성을 통해 다이아몬드의 우수한 물성을 다양한 분야에 사용할 수 있는 길을 연 것"이라며 "향후 전기적·기계적 특성까지 조절 가능한 대면적 단결정 다이아몬드 필름을 구현하는 연구를 진행할 계획"이라고 말했다.

연구결과는 국제학술지 네이처 나노테크놀로지 온라인판에 10일 실렸다.

파이낸셜뉴스

이번 연구를 이끈 IBS 다차원 탄소재료 연구단 연구진의 모습. IBS 제공

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monarch@fnnews.com 김만기 기자

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