그래핀(Graphene)은 탄소원자 한 층으로 된 얇은 막입니다. 전기전도성, 열전도성, 투명성 등이 우수한데요. 그래핀 표면의 결함을 500만 화소의 카메라로 수 초 내 살펴볼 수 있는 고속 품질 검사 방법이 제시됐습니다.
중앙대학교 융합공학과 손형빈 교수 연구팀이 전사된 대면적 그래핀의 결함 및 잔류물들을 고속(수 초 내) 으로 평가할 수 있는 광학기법을 개발했습니다. 해당 연구는 <Advanced Materials>에 게재됐습니다.
대면적 그래핀 표면, 4초 이내 검사한다
촉매(구리) 기판에서 부도체 기판으로 그래핀을 전사하는 공정은 트랜지스터, 광센서, 바이오센서 같은 전자소자 제작에 필수적입니다. 전사 후에는 고가의 공초점 라만분광법이나 원자현미경을 이용해 수백 ㎛2면적 표면의 결함을 측정하는데 이 과정에 십 분 이상 또는 수 시간이 걸립니다. 때문에 그래핀 소자의 대량생산을 위해 대면적의(예 : 8~12인치 웨이퍼) 그래핀을 보다 빠르게 검사하는 방법이 필요한 실정이었습니다.
원자 하나 두께인 아주 얇은 그래핀을 고분자 박막으로 코팅, 지지하여 다른 기판에 옮긴 후 코팅을 다시 제거하는데 이 과정에서 그래핀이 찢어지거나 주름이 생길 수 있고 고분자 박막이 완전히 제거되지 않고 불순물로 남을 수도 있습니다. 이러한 결함이나 불순물은 그래핀 전자소자의 성능 저하 또는 불량으로 이어집니다.
연구팀은 기존 장비보다 구조가 단순한 위상천이 간섭계를 이용해 고해상도 카메라(5백만 화소)로 1 mm2 대면적 영역의 그래핀 표면을 4초 이내에 검사하는 데 성공했습니다.
- 위상천이 간섭계(Phase-Shifting Interferometry)
빛의 간섭 원리를 이용해 측정 표면과 기준면 사이의 거리를 정밀하게 변화시키면서 시료의 표면에 대한 고해상도 이미지를 얻습니다. 이미지로부터 위상을 계산, 변환해 표면의 높이 정보를 0.1 nm 이하의 수직해상도로 얻을 수 있어 고속의 표면 프로파일링에 응용할 수 있습니다.
쌀알 면적의 그래핀 영역에 대해 사진 4~7장을 연속적으로 얻고, 표면에서 반사된 빛의 위상을 계산했습니다. 그를 통해 표면의 높이 정보를 얻어 표면의 찢어짐이나 주름, 불순물 존재를 알아냈습니다.
탐침이 표면의 여러 지점을 옮겨 다니며 순차적으로 측정해 나가는 기존의 방식 대비 속도가 크게 향상시킨 겁니다.
수 백 ㎛2 크기에서 가능했던 검사를 mm2 단위의 대면적으로 확대할 수 있는 실마리를 제공한 것으로 그래핀 외에도 원자층 두께의 다양한 이차원 소재로 확장할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.
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