'0.5nm' 세상에서 가장 얇은 다이아몬드 합성

구리니켈 기판 위 이중층 그래핀(왼쪽)과 F-다이아메인의 투과전자현미경(TEM) 이미지. /사진제공=UNIST

두께가 0.5nm인 세상에서 가장 얇은 다이아몬드가 등장했다.

기초과학연구원 다차원 탄소재료 연구단 로드니 루오프 단장 연구팀은 울산과학기술원(UNIST)과 함께 간단한 공정으로 그래핀을 다이아몬드 박막으로 변신시키는 데 성공했다고 9일 밝혔다.

연구팀에 따르면 그래핀과 다이아몬드는 모두 탄소(C) 원자로만 이뤄져 있지만, 원자의 결합형태가 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. 이러한 결합 차이로 인해 두 물질은 서로 다른 물성을 갖는다. 그래핀은 강도가 높고, 열과 전기를 잘 전달하는 것은 물론 2차원 물질이기 때문에 자유자재로 휘어진다. 반면, 다이아몬드는 뛰어난 열전도성과 기계적 강도를 가졌지만 전기가 통하지도 않고, 쉽게 휘어지지 않는다.

연구진은 2개의 그래핀이 쌓인 구조의 이중층 그래핀으로 대기압에서도 안정적인 다이아메인을 세계 최초로 합성했다. 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.



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 간단히 그래핀의 탄소결합을 다이아몬드와 같은 결합형태로 바꿨고, 결함 역시 최소화했다”고 설명했다.

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 12월 10일(한국시간) 온라인 판에 실렸다.
/울산=장지승기자 [e-mail]