그래핀(graphene), 절연체 위에 천천히 합성되는 이유 찾았다! /UNIST
그래핀(graphene), 절연체 위에 천천히 합성되는 이유 찾았다! /UNIST
  • 함예솔
  • 승인 2021.04.22 09:44
  • 조회수 1151
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

차세대 반도체나 디스플레이 소재로 주목받는 그래핀을 상용화 하려면, 금속 기판위에서 그래핀을 합성한 뒤 기판에서 분리해내는 공정이 필요합니다. 이 때 그래핀이 손상되기 쉬울뿐더러 분리 공정 자체도 까다롭습니다. 전자소자 재료 위에서 바로 그래핀을 합성해 쓰면 되지만 합성 시간이 오래 걸린다는 문제가 있습니다. UNIST 연구진이 최근 절연체 소재 위에서 그래핀 합성이 느려지는 이유를 밝혀내 공정 개선의 단초를 열었습니다. 

 

컴퓨터 시뮬레이션으로 그래핀 합성 단계 규명 

펑 딩(Feng Ding) 교수. 출처: UNIST
펑 딩(Feng Ding) 교수. 출처: UNIST

UNIST 신소재공학과 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 이유를 밝혔습니다. 합성반응을 여러 단계로 쪼개 분석할 수 있는 첨단 컴퓨터 시뮬레이션 기법을 쓴 덕분입니다.  

절연체와 금속 기판위에서 그래핀이 합성(성장)되는 모습. 출처: UNIST
절연체와 금속 기판위에서 그래핀이 합성(성장)되는 모습. 출처: UNIST

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

 

연구진의 시뮬레이션에 따르면 절연체 기판을 쓸 때는 원료(전구체)가 그래핀 가장자리(edge)에 바로 달라붙는 방식으로 성장합니다. 이 경우 수소가 같이 붙게 되는데 수소 제거에 많은 에너지가 소모돼 절연체 위에서 그래핀 성장이 느립니다. 반면 금속 기판을 쓰면 원료가 금속 기판을 타고 빠르게 이동할 수 있어 그래핀 성장이 빠릅니다.

 

또 연구팀은 CH3(메틸 래디컬)이 가장 중요한 역할을 하는 원료라는 사실도 밝혔습니다. CH3은 그래핀에 탄소 공급할 뿐만 아니라 그래핀 가장자리의 수소를 제거하는 역할도 합니다. 메탄가스가 분해돼 생기는 증기 상태 원료 중 CH3 비율이 낮은 것도 그래핀 성장 지연의 원인으로 볼 수 있습니다. 한편, CVD 공정 중 메탄가스(CH4)는 CH3(메틸 래디컬)을 포함하는 다양한 활성 물질(래디컬, Radical) 상태로 존재합니다.


제1저자인 팅 청(Ting Cheng) 연구원은 "이번 연구로 절연체 기판위에 그래핀을 합성할때는 금속 기판에 합성할 때와 달리 기판 물질 종류 보다는 원료 종류가 더 중요하다는 것이 밝혀졌다"고 전했습니다. 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 설명했습니다.

 
한편, 그래핀은 강철보다 강하면서도 유연하고 투명합니다. 전기전도성 또한 전선 소재로 쓰는 구리보다 100배 이상 좋습니다. 이 때문에 반도체 소자 집적 한계를 돌파할 새로운 반도체 재료나 종이처럼 얇고 유연한 디스플레이를 구현할 수 있는 소재로 꼽힙니다.  

 

중국 베이징대학교 분자화학과 쫑판 류(Zhongfan Liu) 교수, 쯔롱 류(Zhirong Liu) 교수팀과 함께한 이번 연구 결과는 나노과학 분야 국제학술지인 ‘에이씨에스 나노’(ACS Nano)에 3월 22일자로 공개됐습니다. 


##참고자료##


댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.

  • 충청남도 보령시 큰오랏3길
  • 법인명 : 이웃집과학자 주식회사
  • 제호 : 이웃집과학자
  • 청소년보호책임자 : 정병진
  • 등록번호 : 보령 바 00002
  • 등록일 : 2016-02-12
  • 발행일 : 2016-02-12
  • 발행인 : 김정환
  • 편집인 : 정병진
  • 이웃집과학자 모든 콘텐츠(영상,기사, 사진)는 저작권법의 보호를 받은바, 무단 전재와 복사, 배포 등을 금합니다.
  • Copyright © 2016-2022 이웃집과학자. All rights reserved. mail to contact@scientist.town
ND소프트