부산대 광메카트로닉스공학과 정세영(단결정은행연구소장) 교수 공동연구진이 4층에 이르는 다층 그래핀을 단결정으로 성장시키는 데 성공했다.

이번 연구는 4층 짜리 다층 그래핀을 단결정으로 성장시킨 최초의 연구로 학계의 주목을 받고 있다.그래핀은 몇 개의 단층 그래핀이 겹쳐 있는지에 따라 응용성이 크게 달라진다.

4층 짜리 그래핀 성장은 이번 연구가 최초일 뿐만 아니라, 웨이퍼 위에 N㎠크기로 합성할 수 있어 반도체 고집적 전극 및 다양한 광전극소자 등에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구는 부산대 정세영?교수와 기초과학연구원 나노구조물리연구단 이영희(성균관대) 단장, 삼성종합기술원 반루엔 뉴엔 박사가 공동으로 수행해, 『네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology』(IF=31.538)지 7월 28일자(한국시간)에 게재됐다.

흑연의 원자 한 층인 그래핀은 우수한 전기전도도와 신축성을 갖춘 것은 물론 투명해 전자소자로서 높은 응용가능성을 지닌 소재다. 이러한 그래핀은 여러 겹 겹치면 서로 다른 전극을 집적해 인쇄할 수 있어 다층 그래핀에 대한 관심이 높아지고 있지만, 고품질 다층 그래핀을 균일하게 기르는 데에는 한계가 있었다.

고성능 그래핀 합성에는 일반적으로 화학기상증착법(CVD)이 쓰인다. 구리와 같은 금속 박막 위에서 그래핀을 성장시키는데, 금속 기판이 촉매 역할을 해 주입된 탄화수소를 분해하고 흡착하는 원리다. 이 때 사용한 금속의 탄소 용해도에 따라 층수가 조절된다.

구리처럼 낮은 용해도를 가진 금속은 단층 그래핀을 만들고, 니켈처럼 높은 용해도의 금속은 다층 그래핀을 만든다. 그러나 다층 그래핀은 층수가 불균일해 고품질로 크게 만들기 어려웠다.
이를 해결하기 위해 연구진은 탄소 용해도가 높은 구리 기반 합금을 만드는 데 초점을 맞추고, 여러 물질을 시도한 끝에 구리-실리콘(Cu-Si) 합금을 만드는 방법을 개발했다.

먼저 화학기상증착 장비에서 기체 주입에 사용하는 수정 튜브에 실리콘을 넣고 900℃ 고온으로 열처리했다. 이 때 실리콘이 기체로 승화돼 구리판에 확산된다. 이후 메탄가스를 주입해 메탄가스의 탄소 원자로 구리 표면에 균일한 실리콘-탄소(Si-C) 층을 만들었다. 이 층은 앞서 합성한 구리-실리콘 합금의 탄소용해도를 제어하는 역할을 한다.?이렇게 만든 기판으로 실험 결과, 기존의 불균일한 다층 그래핀 합성과는 달리 1층, 2층, 3층, 4층의 균일한 다층 그래핀 제조에 각각 성공했으며, 메탄 농도에 따라 층수 조절이 가능함을 보였다.

이번 연구는 구리 전극을 대체할 반도체 고집적 전극 및 다양한 광전자소자 등에 기여할 것으로 예상된다. 연구진은 앞으로 구리-실리콘 증착에 쓰이는 수정 튜브가 대량 합성 실험을 반복할 때 손상되는 단점을 보완할 연구를 수행할 예정이다.