구리-실리콘 합금을 통한 다층 그래핀 성장 모식도© 뉴스1

4층에 이르는 다층 그래핀을 단결정으로 성장시키는 합성법이 개발됐다.

4층짜리 균일한 그래핀은 세계 최초일 뿐만 아니라 장비 크기에 따라 수십~수백㎡면적으로 합성할 수 있다. 이에 따라 반도체 고집적 전극 및 다양한 광전극소자등에 응용이 가능할 전망이다.

28일 기초과학연구원(이하 IBS) 나노구조물리연구단 이영희 단장과 삼성종합기술원(반 루엔 뉴엔), 부산대(정세영) 공동 연구진에 따르면 연필심 원료인 흑연의 원자 한층인 그래핀(Graphene)은 우수한 전기전도도와 신축성을 갖추고 있다.

1~4층 그래핀의 전자현미경 사진© 뉴스1

투명하고 여러겹 쌓으면 집적회로의 소형화가 가능해 지는 등 반도체 전극으로 사용하기 제격이다.

그러나 이제까지 고품질 다층 그래핀을 균일하게 넓은 면적으로 만들지 못했다.고성능 그래핀 합성에는 일반적으로 화학기상증착법(CVD)이 쓰인다.

구리와 같은 금속 박막 위에서 그래핀을 성장시키는데, 금속 기판이 촉매 역할을 해 주입된 탄화수소를 분해하고 흡착하는 원리다.

이 때 사용하는 금속의 탄소 용해도에 따라 층수가 조절된다.

구리처럼 낮은 용해도를 가진 금속은 단층 그래핀을 만들고, 니켈처럼 높은 용해도의 금속은 다층 그래핀을 만든다.

그러나 다층 그래핀은 층수가 불균일해지는 문제 때문에 고품질로 만들기 어려웠다.

이에 연구진은 탄소 용해도가 높은 구리 기반 합금을 만드는 데 초점을 맞추고, 여러 시도 끝에 구리-실리콘(Cu-Si) 합금을 만드는 방법을 개발했다.

먼저 화학기상증착 장비에서 기판이 들어가는 부분인 석영(SiO) 튜브에 구리 기판을 넣고 900도 고온으로 열처리했다.

이때 튜브에 포함된 실리콘이 기체로 승화돼 구리판에 확산되며 구리-실리콘 합금이 형성된다.

이후 메탄 기체를 주입해, 메탄의 탄소 원자와 석영 튜브의 실리콘 원자가 구리 표면에 균일한 실리콘-탄소(Si-C) 층을 만들도록 했다.

실리콘 웨이퍼 위에 옮겨진 제곱센티미터 규모의 다층 그래핀 사진© 뉴스1

이 층이 앞서 합성한 구리-실리콘 합금의 탄소용해도를 제어한다.

연구진은 이렇게 만든 기판으로 실험한 결과 기존의 불균일한 다층 그래핀 합성과는 달리 1~4층 모두 균일한 다층 그래핀 제조에 성공했다.

또 메탄 농도에 따라 층수 조절이 가능함을 보였다. 

이는 각 층이 정확히 같은 각도로 겹치면서 반도체 웨이퍼에 견줄 수 있는 크기이며, 대면적 고품질 다층 그래핀을 4층까지 합성한 최초의 연구다.

이영희 나노구조물리 연구단장© 뉴스1

이영희 연구단장은“이번 연구는 구리 전극을 대체할 고집적 전극 및 그래핀을 반도체 기판으로 이용한 다양한 소자 기술에 기여할 것으로 예상된다”며 “앞으로 대량 합성 실험을 반복할 때 석영 튜브가 손상되는 문제를 해결하고 품질 안정성을 높이는 연구를 수행할 것”이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구성과는 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF=31.538)에 7월28일 0시(한국 시간)에 게재됐다.


km5030@news1.kr