'꿈의 신소재' 그래핀, 층수 자유롭게 조절한다

[아시아경제 황준호 기자] 국내 연구진이 꿈의 신소재로 불리는 그래핀의 층수를 4층까지 자유롭게 조절할 수 있는 기술을 개발했다. 그래핀의 층수에 따라 집접회로의 소형화와 반도체의 밴드갭을 조절할 수 있다. 향후 반도체 고직접 전극이나 다양한 광전극소자 등에 활용이 기대된다.

이영희 기초과학연구원 나노구조물리연구단 단장과 삼성종합기술원, 부산대 등이 참여한 공동 연구진은 4층에 이르는 다층 그래판을 하나의 결정으로 성장시키는 방법을 개발해, 연구 결과가 네이처 테크놀로지에 최근 소개됐다고 28일 밝혔다.

그래핀은 얇은 금속 박막을 촉매로 주입된 탄화수소를 분해하고 흡착되는 형식을 통해 형성된다. 구리와 같이 낮은 용해도를 가진 금속을 사용하면 단층 그래핀이, 니켈과 같은 높은 용해도를 가진 금속을 활용하면 다층 그래핀이 구성된다. 하지만 다층 그래핀의 층수가 균일하지 못하다는 것이 기술적 한계였다.

구리-실리콘 합금을 통한 다층 그래핀성장 모식도

연구팀은 구리-실리콘 합금을 만들어, 탄소 용해도를 높이는 방법으로 이같은 한계를 뛰어넘었다. 이 합금에 메탄 기체를 주입하면 메탄의 탄소 원자와 금속 기판의 실리콘 원자가 만나, 균일한 실리콘-탄소층을 형성한다. 이 층은 구리-실리콘 합금의 탄소용해도를 제어한다. 공동 제 1저자인 삼성종기원의 반루엔 뉴엔 박사는 "아이디어를 내고 균일한 실리콘-탄소 층 제조법을 찾아내기까지 2년의 시행착오가 있었다"고 설명했다.

연구팀이 개발한 합금으로 만든 기판에서는 1~4층의 균일한 다층 그래핀이 제조됐다. 메탄 농도에 따라 층수 조절도 가능했다. 연구팀은 "각 층이 정확히 같은 각도로 겹치면서 반도체 웨이퍼에 견줄 수 있는 크기로 형성됐다"라며 "대면적 고품질 다층 그래핀을 4층까지 합성한 최초의 연구"라고 평했다.

이영희 연구단장은 "이번 실험을 통해 화학기상증착법으로 균일한 다층 그래핀 성장이 가능함을 보였다"고 의의를 밝혔다.

1~4층 그래핀의 전자현미경 사진

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr