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최근 원자수준의 두께를 가진 종이에 해당하는 다양한 2차원 원자물질에 대한 개발이 활발하다. 2차원 원자소재란 원자수준(10-10m) 두께를 지니는 얇은 소재를 일컫는다. 이러한 원자소재 연구의 시발점은 그래핀이다. 탄소원자가 벌집모양으로 형성돼 있는 원자소재인 그래핀(graphene)의 우수한 소재적 특성은 탄소원자 벌집모양 구조에 기인한 것으로 알려졌다.

이렇게 우수한 소재를 3차원으로 만든다면 어떨까. 아마 보다 다양한 기능을 가진 새로운 물질을 만들 수 있을 것이다. 하지만 벌집모양의 구조는 안정한 형태를 선호하기 때문에 주로 2차원에 국한돼 성장과 특성 분석 등이 이뤄졌다. 최근에는 많은 연구자에 의해 2차원 물질을 3차원 소재로 만드는 시도가 이어졌지만 원하는 형태의 구조물을 만들거나 단결정 특성을 보여주는 데는 계속 실패하고 있었다.

그래핀과 종이비행기

안종렬 성균관대 물리학과 교수 ⓒ 안종렬

안종렬 성균관대 물리학과 교수 ⓒ 안종렬

이런 가운데 국내 연구진이 원자수준 두께의 2차원 물질을 이용해 3차원 대면적 입체구조물을 만드는 데 성공해 주목을 받고 있다. 안종렬 성균관대 물리학과 교수팀이 연구를 진행, 기존 2차원 탄소구조체 그래핀의 한계를 넘어 3차원 입체 탄소구조체를 원하는 형태로 만들 수 있는 기술을 개발한 것이다. 이에 따라 에너지 소자와 미세전자기계 소자 등에 사용될 수 있는 고성능 3차원 탄소 소자 개발의 실마리를 얻을 수 있을 것으로 기대를 받고 있다.

“해당 연구는 종이를 접어서 종이비행기를 만드는 원리와 매우 유사합니다. 종이는 자체적으로도 매우 유용한 물질이지만 종이비행기를 만들면 ‘종이’에 ‘비행’이라는 기능을 추가해 전혀 새로운 용도로 사용할 수 있죠. 이와 마찬가지에요. 최근 원자수준(10-10m)의 두께를 가진 종이에 해당하는 다양한 2차원 원자물질들이 개발되고 있습니다. 2차원 원자물질에는 탄소로 만들어진 그래핀과 붕소와 질소로 만들어진 질화붕소, 인으로 만들어진 흑린 등이 있어요. 하지만 원자수준에서는 종이비행기를 접는 것처럼 3차원 입체구조물을 만드는 게 쉽지 않습니다. 원자수준에서는 사람의 손과 같은 종이비행기를 만들 수 있는 장비가 아직 존재하지 않기 때문이죠.”

탄소원자 하나하나가 벌집모양을 이뤄 평면의 그래핀을 입체로 만들 경우, 다시 평면 형태로 복원되는 불안정성을 갖고 있다. 때문에 3차원 전자소자 등으로 응용하는 데 한계가 있었다. 이를 극복하기 위해 많은 연자들이 발포금속을 이용한 화학증착법을 이용했지만 이 역시 원하는 형태의 단결정 3차원 구조체를 만드는 데에는 역부족이었다.

“저희 연구팀은 탄화규소(SiC)를 템플릿(template)으로 사용하면 탄소종이로 이뤄진 3차원 구조물을 원하는 형태로 만들 수 있다는 것을 실험적으로 밝혔습니다. 탄화규소 단결정을 식각방법으로 3차원 구조물로 형성시켜 템플릿을 만든 후 고온에서 가열하면 3차원 탄소종이 구조물을 만들 수 있었죠. 뿐만 아니라 구부리는 과정 등을 이용한 기계적 변형 후에도 3차원 탄소종이 구조물 본래의 구조로 복원되는 특성을 발견했습니다. 그 결과 기계적으로 매우 안정적인 3차원 탄소종이 구조물을 만들 수 있었어요.”

3차원 탄소종이 구조물은 3차원 형태로 만들 수 있는 가장 가벼운 물질이다. 뿐만 아니라 기계적, 열적, 화학적 안정성을 지니고 우수한 전자 이동도를 가진 소재이므로 원하는 형태로 제작이 가능하다. 때문에 필요한 요구조건에 따라 다양하게 변화를 시도할 수 있다.

“저희가 이번 연구를 성공시킬 수 있던 것은 어떤 물질을 사용해야 하는지, 이에 대한 명확한 이해가 있었기 때문입니다. 연구 초기에도 탄소 원자종이를 3차원 원자종이 구조물로 만들기 위해 템플릿이 필요하다는 것을 예상하긴 했습니다. 하지만 어떤 종류의 물질을 사용해야 하는지 명확하게 이해하지는 못했어요. 때문에 그래핀을 대면적으로 성장시킬 수 있는 다양한 물질인 니켈과 구리, 산화규소 등을 3차원 템플릿으로 만들어서 시도했습니다. 그 때 저희 연구실에서 시도한 물질 중 나노사이즈로 3차원 탄소 원자종이를 성장시킬 수 있는 물질로는 산화규소만이 가능하다는 것을 알게 됐습니다. 결론적으로 3차원 탄소 원자종이가 성장하는 고온에서 안정적으로 3차원 템플릿을 유지하는 물질은 산화규소만이 가능하다는 거죠. 이것을 발견했기 때문에 이번 연구가 성공할 수 있던 거예요.”

연구팀은 또한 3차원 산화규소 템플릿이 특이한 3차원 탄소 원자종이의 성장 과정을 갖고 있다는 사실을 알 수 있었다. 초기 성장과정에서 3차 템플릿의 표면을 따라 3차원 탄소 원자종이가 성장한 후, 3차원 탄소 원자종이 내부에 존재하는 산화규소는 자기식각방법이라는 특이한 과정을 통해서 없어졌다. 이러한 자기식각방법을 통해 최종적으로는 순수하게 3차원 탄소 원자종이 구조만이 남게 됐다.

2차원 물질, 3차원 소자에 적용 가능

단결정 3차원 입체 탄소구조체 모형 ⓒ 한국연구재단

단결정 3차원 입체 탄소구조체 모형 ⓒ 한국연구재단

이번 연구의 의의는 다양한 2차원 물질을 3차원 소자에 적용할 수 있는 기반을 마련했다는 점에 있다. 안종렬 교수는 “최근 나노물질의 연구 흐름은 그래핀과 같이 원자 수준의 매우 얇으면서도 공기 중에서 화학적 안정성을 가질 수 있는 물질을 개발하는 것”이라며 “이러한 물질들을 2차원 물질이라고 부르는데 2차원 물질은 2차원 구조를 선호하기 때문에 소자 등의 응용에서도 2차원 형태로만 사용돼 왔다. 하지만 최근 소자들은 기존 2차원 구조에서 벗어나 집적도를 높이거나 성능을 개선하기 위해 3차원 구조의 소자들이 개발되고 있다. 2차원 물질들이 매우 우수한 물성을 갖고 있지만 2차원 구조의 소자에만 적용 된다며 최근 소자들의 연구 방향과 맞지 않게 된다. 그래서 우리 연구팀이 이러한 연구를 진행한 것”이라고 이야기 했다.

“2차원 물질이 2차원 소자인 전자소자, 광소자, 기계소자, 에너지소자 등에 적용되면서 전자 이동도와 광 흡수율, 기계적 안정성, 에너지 전환 효율 등이 개선될 수 있음을 보여줬습니다. 또한 각각의 소자가 경량화되고 유연성을 가질 수 있단은 것을 보여 줬어요. 저희 연구실에서 개발한 3차원 원자종이 구조는 기존 2차원 물질 기반의 2차원 소자 연구가 향후 3차원 원자종이 구조를 기반으로 하는 3차원 소자로 한 단계 발전할 수 있는 계기가 될 것입니다. 즉 2차원 물질의 새로운 응용 분야를 개척했다고 볼 수 있어요. 앞으로 3차원 원자종이 구조를 기반으로 한 다양한 기초연구 및 응용연구가 이어질 것으로 예상됩니다.”

3년의 과정을 거쳐 진행된 연구다. 물론 그 과정에는 많은 어려움들이 존재했다. 이번 연구 역시 막연한 질문에서 시작한 만큼 매번 불확실의 다리를 건너야 했다. 안 교수는 “파급효과가 큰 새로운 연구는 항상 발상의 전환이 필요로 했다”며 “이번 연구도 마찬가지”라고 운을 뗐다.

“하루는 연구실 소속 대학원생이 ‘2차원 물질을 원하는 형태로 구부려서 사용할 수는 없을까?’ 하고 막연한 질문을 던지더군요. 막연할 뿐 아니라 어떻게 보면 기존 연구와는 배치되는 듯한 질문이에요. 하지만 실현 가능성을 떠나 ‘2차원 물질을 3차원으로 만들 경우 어떤 장점이 있을까?’ 라는 질문으로 발전시켜 보니 연구를 진행해도 괜찮겠다 싶었어요. 물론 불확실한 상황이 존재하지만 연구는 그런 것이라고 생각해요. 실현가능한 아이디어를 찾는 것보다 불확실하더라도 발상의 전환을 이끌어낼 수 있는 아이디어가 중요하죠.”

물론 그에 대한 시행착오는 겪어야 했다. 제안된 연구 아이디어에 정확하게 부합하는 내용이 기존에 알려져 있지 않았기 때문이다. 하지만 그럼에도 불구하고 안종렬 교수는 앞으로도 막연하지만 새로운 것을 탐구할 수 있는 연구에 역량을 할애할 것이라고 이야기 했다.

“현재 저희 연구는 3차원 원자종이 구조 제작과 응용의 기초단계인 기계적-전기적으로 안정된 복원력을 증명한 매우 기초적인 단계입니다. 때문에 소자를 제작하는 연구 그룹들과 공동연구를 통해 실제 소자로 발전할 수 있다는 사실을 규명하려고 합니다. 최종적으로는 매우 기초적인 연구 및 아이디어가 실제 산업에도 매우 큰 파급효과가 있음을 보여주고 싶어요.”

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