UNIST 권순용 교수팀, 기존 `전사'단계 안거치고 저온서 직접 합성

차세대 반도체ㆍ디스플레이 소재로 기대되는 그래핀을 지금보다 훨씬 손쉽게 만드는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 1000℃ 이상의 고온이 동원되고, 합성한 그래핀을 원하는 기판에 옮기는 `전사' 단계가 필요한 기존 기술과 달리, 200℃ 이내에서 원하는 기판에 직접 만들 수 있는 게 특징이다.울산과기대(UNIST) 권순용 교수(기계신소재공학부ㆍ사진)와 곽진성 박사과정생, 김성엽ㆍ박기복 교수 연구팀은 서울대 김영운ㆍ윤의준 교수, 미 UCLA 수닐 코담바카 교수팀과 공동연구를 통해 금속, 플라스틱, 유리 등 다양한 기판 위에 그래핀을 직접 합성하는 기술을 개발했다고 1일 밝혔다.현재 선보인 대면적 그래핀 합성기술인 화학기상증착법(CVD)은 1000℃에서 금속기판 위에 그래핀을 합성한 후 원하는 기판으로 옮기는 전사작업이 필요하다. 대부분 반도체 공정은 400℃ 이하에서 이뤄져 반도체 연속공정에 포함시키기 힘들고, 그래핀을 기판에 옮기는 과정에서 찢어지거나 구겨지는 손상문제가 있었다.

연구팀은 저온에서 탄소원자가 스스로 금속표면 위에서 퍼지고 그래핀 구조를 이루는 현상을 이용, 새로운 기법인 `확산이용합성법(DAS)'을 고안했다. 산화실리콘이나 유리, 플라스틱 기판 위에 니켈박막을 씌운 후 탄소원자 가루를 발라주고, 아르곤가스나 일반 대기환경에서 160∼200℃의 온도를 가하면 니켈박막을 이룬 결정립(결정덩어리)의 틈새로 탄소원자들이 들어가 결과적으로 기판과 니켈박막 사이에 탄소원자 한 개층 두께의 그래핀을 자동으로 만든다. 그 후 탄소가루와 니켈을 제거하면 기판상의 그래핀만 남는다.연구팀은 특히 그래핀과 니켈 결정립 모양이 유사하게 형성되는 만큼, 니켈 결정립을 조절함으로써 그래핀 결정립 크기를 제어할 수 있다는 힌트를 얻었다. 원자가 한 방향으로 나란히 배열된 단결정 그래핀은 강철보다 200배 이상 강하고, 구리보다 100배 이상 전기전도도가 높지만 현재 인공적으로 만드는 그래핀은 무수한 결정립으로 돼 있고, 결정립 사이에 틈이 있어서 강도와 전기전도도 등이 크게 떨어진다. 그래서 결정립을 키우는 게 그래핀 성능 개선의 핵심 이슈이자 난제다.

권순용 교수는 "이번 연구에서는 니켈을 상온에서 기판에 증착했지만 고온증착 기술을 도입하면 결정립 크기를 수십배 이상 키울 수 있을 것으로 보고 이미 관련 장비를 도입했다"며 "현재는 기존 방식보다 결정립 크기가 작아 전기전도도 등이 떨어지지만 곧 극복할 수 있을 것"이라고 밝혔다.이 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단의 지원 하에 이뤄졌으며, 연구결과는 세계적인 과학전문지 `네이처'의 자매지인 `네이처 커뮤니케이션스' 1월 24일자에 게재됐다.