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| 실리콘 웨이퍼 위에 옮긴 제곱센티미터 규모의 다층 그래핀 설명도.(사진제공=기초과학연구원) |
국내 산학연계로 세계 최초 4층 그래핀 단결정 합성법이 만들어졌다. 반도체 응용기술력이 한층 견고해질 수 있는 의미 있는 성과다.
기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단 이영희 단장과 삼성종합기술원(반 루엔 뉴엔), 부산대(정세영) 공동 연구진은 4층의 다층 그래핀을 단결정으로 성장시키는 합성법을 개발했다고 28일 국제학술지인 네이처 나노테크놀로지에 발표했다.
꿈의 나노물질로 불리는 그래핀은 탄소 원자들의 집합체이자 2차원 평면 구조를 이루고 있다. 연구진은 이번에 개발한 4층 그래핀 합성법이 장비 크기에 따라 수십에서 수백제곱센티미터(㎠ ) 대면적으로 합성 가능하다고 밝혔다. 반도체 고집적 전극 및 다양한 광전극 소자 등에 응용할 수 있다는 설명이다.
해당 기술은 탄소 용해도가 높은 구리-실리콘(Cu-Si) 합금을 만드는 방법이 단서로 작용했다. 화학기상증착 장비에서 기판이 들어가는 부분인 석영 튜브에 구리 기판을 넣은 후, 900도 고온으로 열처리했다. 이때 튜브에 포함된 실리콘이 기체로 승화, 구리판에 확산하면서 구리-실리콘 합금이 만들어진다.
이후 메탄 기체를 주입해 메탄의 탄소 원자와 석영 튜브의 실리콘 원자가 구리 표면에 균일한 실리콘-탄소(Si-C) 층을 만들었다. 이 층이 앞서 합성한 구리-실리콘 합금의 탄소용해도를 제어해준다.
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| 고온에서 구리-실리콘 합금화부터 균일한 다층 그래핀까지 구축하는 과정.(자료제공=기초과학연구원) |
이렇게 만들어진 기판으로 1층부터 4층까지 균일한 다층 그래핀 제조에 성공했으며, 메탄 농도에 따라 층수 조절까지 가능하다는 사실을 발견했다. 각 층이 정확히 같은 각도로 겹치면서 반도체 웨이퍼에 견줄 수 있는 크기를 만드는 등, 대면적 고품질 다층 그래핀을 4층까지 합성한 최초의 연구다.
공동 제1저자인 삼성종합기술원 반루엔 뉴엔 박사는 “아이디어를 내고 균일한 실리콘-탄소 층 제조법을 찾아내기까지 2년의 시행착오가 있었다” 전했다.
이영희 IBS 연구단장은 “고온의 구리-실리콘 합금 합성을 통해 균일한 다층 그래핀을 성장한 새로운 방법”이라며 “기존의 일반적인 증착 방법으로 불가능한 고품질 다층 그래핀 제조에 성공하면서 화학기상증착법으로 균일한 다층 그래핀 성장이 가능함을 입증했다”고 강조했다.
김상우 기자 ksw@viva100.com
