UNIST·中베이징大 연구팀, 컴퓨터 시뮬레이션으로 그래핀 합성 단계 규명

그래핀을 절연체 전자재료 위에서 바로 합성해 쓸 단서 찾아... ACS Nano 게재

[연구그림] 기판 재질별 그래핀 성장 모식도

펑 딩(Feng Ding) 교수(왼)와 팅 청(Ting Cheng) 연구원(제1저자)

차세대 반도체 및 디스플레이 소재로 주목받고 있는 그래핀이 절연체 소재 위에서 합성이 느려지는 이유가 첨단 컴퓨터 시뮬레이션 기법 때문인 것으로 밝혀졌다.

UNIST신소재공학과 펑 딩(Feng Ding) 교수(IBS 다차원탄소재료연구단 그룹리더)팀은 전자소자 재료인 실리콘 산화물 같은 절연체 위에서 그래핀 합성 속도가 금속기판 보다 10,000배 이상 느려지는 이유가 합성반응을 여러 단계로 쪼개 분석할 수 있는 첨단 컴퓨터 시뮬레이션 기법을 썼기 때문이라고 밝혔다.

이 연구가 주목 받는 이유는 공정 개선의 단초를 열었기 때문이다. 그래핀 상용화를 위해서는 금속 기판 위에서 그래핀을 합성한 뒤 기판에서 분리해내야 하기 때문에, 그래핀 손상 가능성이 있다. 게다가 분리 공정 자체도 까다롭다. 전자소자 재료 위에서 바로 그래핀을 합성해 쓸 수도 있지만, 합성 시간이 오래 걸린다는 문제가 있어 왔다.

제1저자인 팅 청(Ting Cheng) 연구원은 “이번 연구로 절연체 기판위에 그래핀을 합성할　때는 금속 기판에 합성할 때와 달리 기판 물질 종류 보다는 원료 종류가 더 중요하다는 것이 밝혀졌다”고 전했다.

딩 교수는 “에너지 소모가 가장 많은 반응 단계를 활성화 시키면 절연체 기판 위에서도 그래핀 성장을 촉진 시킬 수 있을 것”이라며 “이번 연구는 그 단서를 찾았다는 데 큰 의미가 있다”고 설명했다.

기초과학연구원(IBS)의 지원을 받아 이뤄진 이번 연구는 중국 베이징대학교 분자화학과 쫑판 류(Zhongfan Liu) 교수, 쯔롱 류(Zhirong Liu) 교수팀과 공동으로 진행되었으며, 나노과학 분야 국제학술지인 ‘에이씨에스 나노’(ACS Nano)에 3월 22일자로 공개됐다.

그래핀 성장, 금속 기판 이용해 원료가 금속 기판을 타고 이동 가능

그래핀은 탄소(C)원자 6개로 된 육각형 고리가 이어 붙은 평면구조 물질(2차원물질)이다.고품질의 그래핀 합성에는 주로 화학기상증착법(CVD)을 쓴다. 구리 같은 금속 기판 위에서 그래핀을 성장시키는 방식이다. 원료(CH4 등) 가스로부터 나온 탄소원자가 그래핀 가장자리에 하나 둘씩 붙어 그래핀이 성장하게 되는 것이다.

연구팀은 “절연체 기판을 쓸 때, 원료인 전구체가 그래핀 가장자리에 바로 달라붙는 방식으로 성장한다. 이 경우 수소가 같이 붙게 되는데 수소 제거에 많은 에너지가 소모돼 절연체 위에서 그래핀 성장이 느리다. 반면 금속 기판을 쓰면 원료가 금속 기판을 타고 빠르게 이동할 수 있어 그래핀 성장이 빠르다”고 설명했다.

연구팀은 이번 연구를 통해 CH3(메틸 래디컬)이 가장 중요한 역할을 하는 원료라는 사실도 밝혔다.

연구팀은 “CH3은 그래핀에 탄소 공급할 뿐만 아니라 그래핀 가장자리의 수소를 제거하는 역할도 한다. 메탄가스가 분해돼 생기는 증기 상태 원료 중 CH3 비율이 낮은 것도 그래핀 성장 지연의 원인으로 볼 수 있다. 한편, CVD 공정 중 메탄가스(CH4)는 CH3(메틸 래디컬)을 포함하는 다양한 활성 물질(래디컬, Radical) 상태로 존재한다”고 전했다.

한편, 이번 연구에 소재로 쓰인 그래핀은 강철보다 강하면서도 유연하고 투명하다. 전기전도성 또한 전선 소재로 쓰는 구리보다 100배 이상 좋다. 이 때문에 반도체 소자 집적 한계를 돌파할 새로운 반도체 재료나 종이처럼 얇고 유연한 디스플레이를 구현할 수 있는 소재로 손꼽히고 있다.