테이프처럼 붙이는 복합산화물 박막 제조 공정 개발

떼어 붙이는 플렉시블 단일 복합산화물 박막. (자료제공: 한국원자력연구)

국내 연구진과 미국에서 활동하는 한국 과학자들이 전자기 신소재 ‘복합산화물’을 박막 형태로 떼어내는 공정을 개발하는 데 성공했다. 박막 복합산화물을 이어붙여 다양한 기능을 갖는 것도 가능해 새로운 정보기술(IT) 기기용 소재로 활용될 것으로 보인다.
한국원자력연구원(원장 박원석)은 이준혁 신소재융합기술연구부 박사와 김지환 미국 매사추세츠공대(MIT) 교수, 금현성 박사, 엄창범 미국 위스콘신주립대 교수 연구팀은 떼어 붙이는 단일 복합산화물 박막을 제작해 이들을 결합하는 새로운 공정을 개발했다고 지난달 13일 밝혔다.
복합산화물은 강한 자성과 유전성, 초전도성 등을 지녀 연료전지와 촉매 등에 활용가능한 신소재로 주목받고 있다. 복합산화물은 박막은 기판 위에 키우는데 한번 키우면 고정돼 떼어내는 것이 불가능했다. 활용 자체도 어렵거니와 다른 박막과 함께 사용하기는 더욱 어려웠다.
연구팀은 기판 위에 탄소 원자가 육각 모양으로 한 층을 이루는 소재인 그래핀을 붙인 후 그 위에 복합산화물 박막을 합성했다. 그래핀은 기판과 박막 사이에 약하게 붙어있어 테이프처럼 떼어낼 수 있다. 이를 활용해 연구팀은 1㎠ 크기의 박막을 기판에서 분리하는 데 성공했다. 기판에서 떼어낸 박막은 소재를 받칠 지지대가 없는 ‘프리스탠딩’ 상태가 된다. 이 상태의 박막은 유연성이 뛰어나고 다양한 소재와 결합할 수 있다.
떼어 붙이는 복합산화물 박막의 모습이다. 연구팀은 이 기술을 활용해 다양한 복합산화물 박막을 만들어냈다. 한국원자력연구원 제공
연구팀은 이렇게 분리한 박막을 레고블럭을 조립하듯 붙여 새로운 소재를 만들었다. 이렇게 만들어진 소재는 결합한 두 복합산화물의 특성을 모두 갖는다. 예를 들어 힘을 받으면 전기가 생기는 압전성을 갖는 ‘납 마그네슘 니오베이트-납 티탄산염(PMT-PT)’과 자성을 가지면 형태가 변하는 코발트산화철(CFO)을 결합하면 압전성과 자기변형성을 모두 갖는다. 외부에서 자기장을 걸면 CFO 박막이 변형되고 변형이 PMT-PT 박막을 변형시켜 압전성에 의해 전압을 발생시킨다.
이준혁 연구원은 “이번 연구로 모든 전자기적 특성을 가진 만능 신소재 탄생의 길이 열렸다”며 “국제공동연구를 통해 떼어 붙이는 공정을 발전시켜 점차 상용화될 플렉시블 전자기기에 광범위하게 쓰일 수 있는 신소재를 개발해 나가겠다”고 말했다.
이번 연구결과는 2월 6일 국제학술지 ‘네이처’에 게재됐다.