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4층 그래핀으로 대면적 합성, 소자기술에 기여

IBS, 이영희 나노구조물리연구단장과 삼성종기원·부산대 공동연구팀 성공
구리-실리콘 합금 만드는 법 개발
화학기상증착법으로 균일한 그래핀 증착 성공
구리-실리콘 합금을 통한 다층 그래핀 성장 모식도.<사진= IBS>구리-실리콘 합금을 통한 다층 그래핀 성장 모식도.<사진= IBS>

국내외 연구진이 그래핀 여러겹을 고품질로 쌓는 기술을 개발하고 4층 그래핀으로 대면적 합성 가능성을 보였다. 이는 장비의 크기에 따라 수십, 수백 제곱센티미터의 대면적으로 합성할 수 있어 반도체와 다양한 광전극 소자 등에 응용될 것으로 기대된다.

IBS(기초과학연구원·원장 노도영)는 이영희 나노구조물리연구단장과 삼성종합기술원, 부산대 공동연구진이 4층에 이르는 다층 그래핀을 소재 전체에 걸쳐 규칙적으로 성장시키는 합성법을 개발했다고 28일 밝혔다.

탄소 한층으로 이뤄진 그래핀은 높은 이동도 특성으로 전자, 전기 분야 소재로 각광 받는다. 하지만 대면적 합성을 위한 다양한 시도가 있었으나 균일한 성장과 층 수 조절이 어려웠던게 사실이다.

그래핀 합성에는 일반적으로 화학기상증착법(CVD)이 쓰인다. 구리와 같은 금속 박막 위에서 그래핀을 성장시키는데, 금속 기판이 촉매 역할을 해 탄화수소를 분해하고 흡착하는 원리다.

이때 사용되는 금속의 탄소 용해도에 따라 층수가 조절된다. 구리처럼 낮은 용해도를 가진 금속은 단층 그래핀을, 니켈처럼 높은 용해도의 금속은 다층 그래핀을 만든다. 하지만 다층 그래핀은 층수가 균일하지 않아 고품질로 만들기 어려웠다.

연구팀은 탄소 용해도가 높은 구리 기반 합금인 구리-실리콘(Cu-Si) 합금을 만드는 방법을 개발했다. 우선 장비에서 기판에 들어가는 석영(SiO₂) 튜브에 구리 기판을 넣고 900도(℃) 고온으로 열처리했다. 튜브에 포함된 실리콘이 기체로 승화돼 구리판에 확산되며 구리-실리콘 합금이 형성되는 것이다. 여기에 메탄 기체를 주입해 메탄의 탄소 원자와 석영 튜브의 실리콘 원자가 구리 표면에 균일한 실리콘-탄소(Si-C) 층을 만들도록 했다.

공동 제1저자인 삼성종합기술원의 반루엔 뉴엔 박사는 "아이디어를 내고 균일한 실리콘-탄소 층 제조법을 찾아내기까지 2년의 시행착오가 있었다"고 설명했다.

이렇게 만든 기판으로 실험한 결과 기존의 불균일한 다층 그래핀 합성과는 달리 1, 2, 3, 4층의 균일한 다층 그래핀 제조에 성공했다. 또 메탄 농도에 따라 층수 조절이 가능했다. 이를 통해 각 층이 정확히 같은 각도로 겹치면서 반도체 웨이퍼에 견줄 수 있는 크기가 가능했다는게 연구팀의 설명이다.
그래핀의 전자 현미경 사진.<사진= IBS>그래핀의 전자 현미경 사진.<사진= IBS>
이번 연구 성과는 구리 전극을 대체할 고집적 전극과 그래핀을 반도체 기판으로 이용하는 다양한 소자기술에 기여할 전망이다. 연구팀은 대량 합성 실험을 반복할 때 석영 튜브가 손상되는 문제를 해결하고 품질 안정성을 높이는 연구를 수행할 예정이다.

공동교신 저자인 이영희 단장은 "높은 온도의 구리-실리콘 합금을 합성해 균일한 다층 그래핀을 성장한 새로운 방법"이라면서 "기존에 일반적인 증착 방법으로는 불가능했던 고품질 다층 그래핀 제조에 성공했다. 이를 통해 화학기상증착법으로 균일한 다층 그래핀 성장 가능성을 보였다"고 의의를 강조했다.

한편 연구성과는 네이처 나노테크놀로지誌 28일자에 게재됐다.
실리콘 웨이퍼 위에 옮겨진 제곱센티미터 규모의 다층 그래핀.<사진= IBS>실리콘 웨이퍼 위에 옮겨진 제곱센티미터 규모의 다층 그래핀.<사진= IBS>
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