“그래핀으로 가장 얇은 다이아몬드 만들어”

IBS, 그래핀을 상온서 화학적 처리로 결합구조 바꿔
기계적, 화학적 물성 뛰어난 새로운 물질로 활용 가능
기계적·화학적으로 우수한 물성을 지닌 세상에서 가장 얇은 다이아몬드가 개발됐다. 향후 반도체 소자 등 전기, 기계, 화학 등에 폭넓게 쓰일 것으로 예상된다.

기초과학연구원(IBS) 로드니 루오프 다차원 탄소재료연구단장(UNIST 특훈교수) 연구팀은 UNIST와 공동으로 상온에서 그래핀의 결합구조를 간단하게 바꿔 두께 0.5㎚(나노미터)의 '초박막 다이아몬드'를 제작하는 데 성공했다고 9일 밝혔다.

그래핀과 다이아몬드는 모두 탄소(C) 원자로 이뤄졌지만, 원자 결합 형태가 서로 다르다. 그래핀은 탄소 원자가 주변 탄소 원자 3개와 결합한 육각형 벌집 모양의 평면 소재다. 반면 다이아몬드는 중심에 있는 탄소 원자 1개가 주변의 4개 탄소 원자와 결합해 만든 정사면체가 상하좌우로 끊임없이 반복되는 3차원 물질이다.

결합 구조가 다르다 보니 그래핀은 강도가 높고, 열과 전기를 잘 전달하며 2차원 물질로 자유자재로 휘어진다. 다이아몬드는 뛰어난 열전도성과 기계적 강도를 지녀 전기가 통하지 않고, 쉽게 휘어지지도 않는다.

연구계에서 그래핀의 결합구조에 변화를 줘 그래핀처럼 얇은 다이아몬드(다이아메인)을 만들려는 시도가 있었으나, 상용화에 성공하지 못했다. 그래핀의 결합구조를 변화시키는 데 매우 높은 압력이 필요하고, 압력이 낮아지면 다시 그래핀으로 돌아가는 등 안정성 유지가 쉽지 않은 탓이다.

연구팀은 화학기상증착법으로 구리니켈 합금 기판 위에 2개의 그래핀이 쌓인 구조인 '이중층 그래핀'을 제작한 뒤, 그 사이에 불소(F) 기체를 주입했다. 불소는 그래핀 두 층 간 탄소 결합을 유도해 한 개의 탄소가 주변 4개의 탄소와 결합하는 형태가 되면서 최종적으로 필름 형태의 다이아메인이 만들어진다. 연구팀은 이 다이아몬드를 'F-다이아메인'으로 이름을 붙였다. 두께는 0.5㎚로, 세계에서 가장 얇은 수준이다.

로드니 루오프 단장은 "유사 다이아몬드 구조체 합성을 통해 다이아몬드의 우수한 물성을 다양한 분야에 활용할 수 있는 길을 연 것"이라며 "앞으로 전기적·기계적 특성까지 조절할 수 있는 대면적 단결정 다이아몬드 필름을 만드는 연구를 지속할 계획"이라고 말했다.

한편 이 연구결과는 국제 학술지 '네이처 나노테크놀로지(10일자)' 온라인판에 게재됐다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr