IBS, 4층짜리 그래핀 합성 성공

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국내 연구진이 그래핀을 여러 겹 고품질로 쌓는 합성법을 개발했다. 집적회로 소형화, 밴드갭 조절 등으로 다양한 소자기술을 발전시키는 기반을 마련했다.

기초과학연구원(IBS·원장 노도영)은 이영희 나노구조물리연구단장이 반 루엔 뉴엔 삼성종합기술원 연구원, 정세영 부산대 연구원 등과 4층에 이르는 다층 그래핀을 단결정으로 성장시키는 합성법을 개발했다고 27일 밝혔다.

구리-실리콘 합금을 통한 다층 그래핀 성장 모식도
<구리-실리콘 합금을 통한 다층 그래핀 성장 모식도>

4층짜리 그래핀을 균일하게 합성하는 것은 최초다. 장비 크기에 따라 수십~수백㎠ 대면적 합성도 가능하다. 반도체 고집적 전극 및 다양한 광전극소자 등에 응용할 수 있다.

고성능 그래핀 합성에는 보통 화학기상증착법(CVD)이 쓰인다. 구리와 같은 금속 박막 위에서 그래핀을 성장시킨다. 사용 금속의 탄소 용해도에 따라 층수가 조절되는데, 구리처럼 용해도가 낮은 금속은 단층 그래핀을 만들고, 니켈처럼 용해도가 높은 금속은 다층 그래핀을 만든다. 문제는 다층 그래핀은 층수가 불균일하다는 점이다. 고품질 구현이 어려웠다.

연구진은 여러 시도 끝에 구리-실리콘(Cu-Si) 합금을 만드는 방법을 개발했다. 먼저 CVD 장비에서 기판이 들어가는 부분인 석영(SiO₂) 튜브에 구리 기판을 넣고, 900도 고온으로 열처리했다. 이 때 튜브에 포함된 실리콘이 기체로 승화돼 구리판에 확산되며 구리-실리콘 합금이 형성된다.

실리콘 웨이퍼 위에 옮긴 제곱센티미터 규모 다층 그래핀.
<실리콘 웨이퍼 위에 옮긴 제곱센티미터 규모 다층 그래핀.>

이후 메탄 기체를 주입, 메탄 내 탄소 원자와 석영 튜브 실리콘 원자가 구리 표면에서 균일한 실리콘-탄소(Si-C) 층을 만들도록 했다. 이 층은 앞서 합성한 구리-실리콘 합금의 탄소용해도를 제어하는 역할을 한다.

이렇게 만든 기판으로 실험한 결과, 기존과 달리 균일한 1~4층 그래핀 제조에 성공할 수 있었다. 메탄 농도에 따라 층수 조절도 가능했다.

공동교신저자인 이영희 연구단장은 “이번 연구는 높은 온도의 구리-실리콘 합금 합성을 통해 균일한 다층 그래핀을 성장한 새로운 방법을 구현한 것”이라며 “기존에 일반적인 증착 방법으로는 불가능했던 고품질 다층 그래핀 제조에 성공했다”고 밝혔다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com