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레이저를 활용한 새로운 그래핀 생성원리 발견

IBS 이건재 연구위원과 KAIST 최성율 교수 공동 연구
고체 상분리 현상 이용한 2차원 나노소재 상용화 기대
[대전=이데일리 박진환 기자] 레이저를 이용해 단결정 탄화규소(SiC) 기판 위 원하는 곳에 손쉽게 그래핀을 합성하는 새로운 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

기초과학연구원(IBS)은 다차원 탄소재료 연구단의 이건재 연구위원(KAIST 신소재공학과 교수)과 KAIST 전기 및 전자공학부 최성율 교수팀이 초단시간의 레이저 조사(照射)를 통한 단결정 탄화규소(SiC)의 고체 상분리 현상을 발견, 이를 활용한 그래핀 생성원리를 규명했다고 1일 밝혔다.

기존에 활용되고 있는 화학기상증착(기판 위에 가스 형태의 원료물질을 투입해 고온 환경의 화학반응을 통해 기판 위에 원료물질의 박막을 형성하는 공정) 기반의 그래핀 합성법은 상당시간 고온 공정을 필요로 한다.

반면 이번에 개발된 레이저 열처리법은 상온환경에서 단시간의 공정으로 그래핀을 합성할 수 있어 향후 그래핀 활용의 폭을 넓힐 수 있는 장점이 있다.

IBS 연구진은 단결정 탄화규소 소재 표면에 수백 나노초(ns, 10억분의 1초) 수준의 극히 짧은 시간 동안 레이저를 쪼여 표면을 순간적으로 녹였다가 다시 응고시켰다.

이후 탄화규소 표면이 두께 2.5나노미터의 탄소(C) 초박막층과 그 아래 두께 5나노미터의 규소(Si·실리콘)층으로 분리되는 상분리 현상(하나의 상을 형성하고 있는 물질계가 온도, 압력, 조성 등의 변수의 변화로 두 개의 상으로 갈라지는 현상)이 나타났다.

여기에 레이저를 다시 쪼이자 안쪽 실리콘층은 증발하고, 탄소층은 그래핀으로 바뀌는 사실을 확인했다.

특히 탄화규소와 같은 이종원소 화합물과 레이저의 상호작용에 대한 연구는 아주 짧은 시간에 일어나는 복잡한 상전이 현상으로 지금까지 그 규명이 쉽지 않았다.

그러나 연구진은 레이저에 의해 순간적으로 유도된 탄소·실리콘 초박막층을 고해상도 전자현미경으로 촬영, 실리콘과 같은 반도체 물질이 고체 상태일 때와 액체 상태일 때 보이는 광학 반사율이 다르다는 점에 착안해 탄화규소의 고체 상분리 현상을 성공적으로 규명해낼 수 있었다.

연구에 활용된 레이저 열처리기술은 AMOLED(능동형 유기발광다이오드) 등 상용 디스플레이 생산공정에 널리 활용되고 있는 방법으로 CVD 공정과 달리 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.

이번 연구를 주도한 이건재 IBS 연구위원은 “이번 연구 결과로 향후 레이저 기술이 그래핀과 같은 2차원 나노소재에 보다 폭넓게 응용될 수 있을 것”이라며 연구의 의의를 설명했다.

최성율 KAIST 교수도 “앞으로 다양한 고체 화합물과 레이저의 상호작용을 규명해 이들의 상분리 현상을 활용하면 새로운 나노소재 개발을 기대할 수 있을 것”이라고 내다봤다.

한편 이번 연구결과는 자연과학 및 응용과학 분야의 세계적 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 최신호에 게재됐다.