꿈의 물질 '그래핀' 4층으로 쌓았다···반도체 전극 활용 기대

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 꿈의 물질로 불리는 4층의 그래핀을 성장시켰다. 장비 크기에 따라 수십~수백 제곱센티미터 규모의 대면적 합성도 가능해 반도체 전극이나 광전극소자에 활용될 수 있을 것으로 기대를 모은다.

기초과학연구원(IBS)은 이영희 나노구조물리연구단장팀이 삼성종합기술원, 부산대 연구팀과 함께 4층에 이르는 다층 그래핀을 원자가 규칙적으로 배열된 형태인 단결정으로 성장시키는 합성법을 개발했다고 28일 밝혔다.

실리콘 웨이퍼 위에 옮겨진 제곱센티미터 규모의 다층 그래핀.<사진=기초과학연구원>

그래핀은 흑연의 원자 한 층이다. 이 물질은 전기전도도와 신축성, 투명성이 우수해 반도체 전극으로 많이 쓰인다. 그래핀은 몇 개의 단층이 겹쳐있는지 여부에 따라 응용도가 달라진다. 그래핀을 여러 겹 쌓으면 집적회로 소형화와 반도체의 특징인 밴드갭 조절이 가능했지만 고품질 다층 그래핀을 균일하게 넓은 면적으로 기르기는 어려웠다.

일반적으로 고품질 그래핀 합성에는 화학기상증착법(CVD)을 활용한다. 구리와 같은 금속 박막 위에서 그래핀을 성장시키는데, 금속 기판이 촉매 역할을 해 주입된 탄화수소를 분해하고 흡착한다. 이때 사용하는 금속의 탄소 용해도에 따라 층수가 조절된다. 구리처럼 낮은 용해도를 가진 금속은 단층 그래핀을 만들고, 니켈처럼 높은 용해도의 금속은 다층 그래핀을 만든다.

하지만 다층 그래핀은 층수가 불균일해지기 때문에 고품질로 만들기 어려웠다.

이에 연구팀은 탄소 용해도가 높은 구리 기반 합금을 제작에 초점을 맞춰 여러 시도 끝에 구리-실리콘 합금을 만들 방법을 개발했다. 우선 화학기상증착 장비에서 기판이 들어가는 부분인 석영 튜브에 구리 기판을 넣고 900도의 고온에서 열처리했다. 이때 튜브에 포함된 실리콘이 기체로 승화돼 구리판에 확산하며 구리-실리콘 합금을 형성했다.

이후 메탄 기체를 주입해, 메탄의 탄소 원자와 석영 튜브의 실리콘 원자가 구리 표면에 균일한 실리콘·탄소 층을 만들도록 했다. 이 층이 앞서 합성한 구리·실리콘 합금의 탄소용해도를 제어한다.

연구팀이 제작한 기판으로 실험한 결과, 기존 다층 그래핀 합성과 달리 1, 2, 3, 4층의 균일한 다층 그래핀 제조가 가능했다.

이영희 연구단장은 “높은 온도의 구리·실리콘 합금 합성을 통해 균일한 다층 그래핀을 성장한 새로운 방법”이라며 “기존 증착 방법으로 불가능했던 고품질 다층 그래핀을 제조했다”고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)’에 28일 0시(한국시간)에 게재됐다.