"1만배 크고 20배 빠르게"… 거울처럼 매끈한 고품질 흑연 생산

보도기사

거울처럼 매끄러운 흑연 필름의 샘플 이미지 및 투과 전자현미경 이미지

기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단이거울처럼 매끄럽고, 밀리미터 크기의 거대한 결정립을 가진 초고품질 흑연 필름 생산법을 개발했습니다.

기존 합성 흑연보다 결정립 크기는 무려 만 배나 커졌고, 표면 결함은 거의 없는 수준입니다.

흑연은 전기와 열을 잘 전달하고, 방향에 따라 성질이 달라지는 '이방성' 특성을 지녀 배터리 음극재, 촉매, 원자력 기술 등 다양한 분야에서 주목받아 왔습니다.

하지만 지금까지의 고온 합성 방식은 결정립이 작고 밀도가 낮은데다 표면이 울퉁불퉁하다는 한계가 있었습니다.

특히 필름 형태에서는 냉각 과정에서 주름이나 변형이 쉽게 생겼습니다.

연구진은 이를 극복하기 위해 '다공성 기판' 전략을 도입했습니다.

니켈-몰리브데넘(Ni-Mo) 합금에서 니켈만 선택적으로 증발시켜 스펀지처럼 구멍이 많은 기판을 만든 뒤, 이 기판 위에서 흑연을 성장시킨 겁니다.

다공성 기판이 완충재처럼 작용해 주름과 꺾임을 막아줬고, 또 흑연 성장 속도를 기존 대비 20배 이상 높였습니다.

이번에 합성된 흑연 필름의 성능도 탁월합니다.

탄성계수는 969기가파스칼, 인장강도는 1.29기가파스칼로 단결정 흑연의 이론적 한계에 근접했습니다.

지금까지 보고된 모든 대면적 합성 흑연 중 가장 뛰어난 수준입니다.

열전도도와 전기 전도도는 다이아몬드에 필적하는 수준에 달했습니다.

이렇게 완성된 고순도 흑연 필름은 AI 칩 같은 고출력 전자장치의 열 관리, 초고강도·고전도성 부품, 마찰이 거의 없는 코팅재, 첨단 배터리 음극재 등 다양한 산업 분야에 폭넓게 활용될 것으로 기대됩니다.

이번 연구 성과는 한국시간으로 12일 오후 6시, 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 온라인으로 실렸습니다.

TJB 대전방송 (사진 IBS)

김건교 취재 기자 | kkkim@tjb.co.kr