꿈의 신소재 '그래핀'
출처http://www.ekn.kr/news/articleView.html?idxno=98158
'꿈의 신소재' 그래핀을 실제 다양한 분야에 적용할 시점을 앞당길 획기적인 기술을 국내 연구진이 세계 최초로 개발했다.
삼성전자 종합기술원 나노일렉트로닉스랩팀 황성우 전무와 성균관대학교 신소재공학부 황동목 교수 연구팀이 산학 협력으로 수행한 이번 연구는 세계적인 학술지 '사이언스' 게재가 결정됐으며, 중요성을 인정받아 4일 '사이언스 온라인 속보'(Sicence Express)에 먼저 발표됐다.
이번 연구성과는 그래핀을 '대면적' '단결정'으로 합성하는 것으로 반도체나 디스플레이 등 분야에 그래핀을 실용화하는 데 기여할 것이라는 기대를 받고 있다.
그래핀은 탄소로 이뤄진 이차원 벌집 구조의 나노물질을 말한다. 이차원 그래핀은 0.2나노미터(㎚)로 매우 얇고 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있어서 휘고 접을 수 있는(플렉서블) 소자에 적용할 차세대 소재로 주목받는다.
그래핀을 대면적으로 생산하는 기술이 개발되기는 했지만, 대부분 다결정으로 만들어진다는 것이 한계였다. 그래핀을 응용하려면 다결정보다 단결정이 훨씬 유리하다.
대표적인 반도체 소재인 실리콘의 경우, 다결정 실리콘보다 단결정 실리콘이 전자이동도가 10배 이상 높고 균일성이 훨씬 뛰어나다.
이전까지는 '금속기판'을 사용해 단결정 그래핀을 합성하려는 시도가 있었으나 대면적으로 제작하기가 불가능하다는 한계가 있었다. 또 금속기판은 전기전도도가 너무 높아 그 위에서는 소자를 제작할 수 없다. 따라서 금속기판에서 합성한 그래핀을 다른 기판으로 옮겨야 하는데, 그 과정에서 얇은 그래핀이 쉽게 접히거나 찢어지기 일쑤다.
연구팀은 웨이퍼(반도체를 만드는 얇고 둥근 판) 크기의 대면적 그래핀을 단결정으로 합성하는 방법을 개발했다.
비결은 '게르마늄'이다. 기존에는 단결정 그래핀을 합성할 때 일반적으로 금속촉매를 사용했지만, 연구팀은 게르마늄을 표면에 입힌 실리콘 웨이퍼를 이용했다.
원자들이 한쪽으로 가지런히 정렬된 게르마늄 구조를 이용한 것이다. 게르마늄 위에 성장시키는 그래핀 씨앗(seed)들도 일정한 방향으로 연결돼 넓은 면적의 단결정 그래핀을 구성하게 된다.
또 게르마늄은 그래핀과 강하게 결합하지 않아 실리콘 웨이퍼에서 분리하기가 쉽다. 금속기판과 달리 게르마늄 반도체와 그래핀 사이에 형성된 수소 원자층이 접착력을 약화하는 것이다.
그래핀을 분리한 게르마늄 웨이퍼는 다시 그래핀 합성에 사용할 수 있어 친환경적이고 경제적이다.
이 연구는 미래부와 한국연구재단이 추진하는 '리더연구자지원사업'(창의적 연구)와 '선도연구센터지원사업' 등의 지원을 받아 수행됐다