레이저 활용해 '그래핀' 생성 뚝딱~

IBS-KAIST 연구팀, 탄화규소 고체 상분리 현상 활용 그래핀 생성원리 규명
레이저가 조사된 탄화규소 표면의 전체적인 전자현미경 사진(a) 및 이로 의한 탄소와 실리콘으로의 상분리 현상을 촬영한 고해상도 전자현미경 사진(b).<사진=IBS 제공>레이저가 조사된 탄화규소 표면의 전체적인 전자현미경 사진(a) 및 이로 의한 탄소와 실리콘으로의 상분리 현상을 촬영한 고해상도 전자현미경 사진(b).<사진=IBS 제공>

레이저를 이용해 손쉽게 그래핀을 합성하는 기술을 국내 연구진이 개발해 냈다.

IBS(기초과학연구원·원장 김두철)는 다차원탄소재료 연구단의 이건재 연구위원(KAIST 신소재공학과 교수) 연구진과 최성율 KAIST 전기및전자공학부 교수팀이 초단시간의 레이저를 조사해 단결정 탄화규소의 고체 상분리 현상을 발견하고 이를 활용해 그래핀 생성원리를 규명했다고 1일 밝혔다.

기존 그래핀 합성법은 기판 위에 가스 형태의 원료 물질을 투입, 고온 환경에서 화학반응을 통해 기판 위에 원료 물질의 박막을 형성하는 형태였다.

반면 연구팀이 개발한 레이저 열처리법은 상온환경에서 단시간 공정으로 그래핀 합성이 가능하다. 탄화규소 같은 이종원소 화학물과 레이저의 상호작용에 대한 연구는 짧은 시간에 일어나는 복잡한 상전이 현상으로 지금까지 규명이 쉽지 않았다.

연구팀은 레이저에 의해 순간적으로 유도된 탄소실리콘 초박막층을 고해상도 전자현미경으로 촬영, 실리콘과 같은 반도체 물질이 고체 상태일 때와 액체 상태일 때 보이는 과학 반사율이 다르다는 점에 착안해 탄화규소의 고체 상분리 현상을 규명하는데 성공했다.

연구에 활용된 레이저 열처리기술은 AMOLED(능동형 유기발광다이오드) 등 상용 디스플레이 생산공정에 널리 활용되고 있는 방법이다. 이는 레이저로 소재 표면만 순간적으로 가열하기 때문에 열에 약한 플라스틱 기판 등에도 활용이 가능하다.

또한 기판 위 원하는 곳에만 선택적으로 그래핀을 합성할 수 있어, 향후 플렉시블 전자 분야 등으로 응용의 폭을 넓힐 수 있을 것으로 기대된다.

이건재 연구위원은 "이번 연구 결과로 향후 레이저 기술이 그래핀과 같은 2차원 나노소재에 보다 폭넓게 응용될 수 있을 것"이라고 연구의 의의를 설명했다.

최성율 교수는 "앞으로 다양한 고체 화합물과 레이저의 상호작용을 규명해 이들의 상분리 현상을 활용하면 새로운 나노소재 개발을 기대할 수 있을 것"이라고 전망했다.

이번 연구결과는 자연과학 및 응용과학 분야 학술지인 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 최근호에 게재됐다.
레이저에 의해 순간적으로 유도된 단결정 탄화규소의 용융 및 응고 현상을 증명하는 실시간 시간 분해능 반사율 (In-situ time-resolved reflectance) 측정 스펙트럼.<사진=IBS 제공>레이저에 의해 순간적으로 유도된 단결정 탄화규소의 용융 및 응고 현상을 증명하는 실시간 시간 분해능 반사율 (In-situ time-resolved reflectance) 측정 스펙트럼.<사진=IBS 제공>
단결정 탄화규소의 용융을 통한 상분리 현상의 원리를 밝혀내는 분자동역학 시뮬레이션의 모식도. 용용 상태가 불안정하기 때문에 준안정(metastable) 상태로 원자들이 재배열이 되는 것을 시뮬레이션 방법을 통하여 증명.<사진=IBS 제공>단결정 탄화규소의 용융을 통한 상분리 현상의 원리를 밝혀내는 분자동역학 시뮬레이션의 모식도. 용용 상태가 불안정하기 때문에 준안정(metastable) 상태로 원자들이 재배열이 되는 것을 시뮬레이션 방법을 통하여 증명.<사진=IBS 제공>
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