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IBS 나노구조물리연구단, 새 합성법 개발해 다양한 소자기술 활용 기대 실리콘 웨이퍼 위에 옮겨진 제곱센티미터 규모의 다층 그래핀. IBS 제공[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 꿈의 나노물질로 불리는 그래핀을 세계 최초로 여러층 쌓아 넓은 면적으로 만들었다. 연구진은 이를 활용해 집적회로의 소형화가 가능하고 반도체 기판으로 이용해 다양한 소자를 만들 수 있다고 설명했다.

기초과학연구원(IBS)은 나노구조물리연구단 이영희 단장과 삼성종합기술원, 부산대 공동 연구진이 4층 그래핀을 단결정으로 만드는 합성법을 개발했다. 이 합성법으로 장비 크기에 따라 수십~수백㎠ 대면적으로 합성할 수 있어 반도체 고집적 전극 및 다양한 광전극 소자 등에 응용할 것으로 기대된다.

연구진은 먼저 탄소 용해도가 높은 구리-실리콘(Cu-Si) 합금을 만드는 방법을 개발했다. 화학기상증착 장비에서 기판이 들어가는 부분인 석영 튜브에 구리 기판을 넣고 900℃ 고온으로 열처리했다. 이 때 튜브에 포함된 실리콘이 기체로 승화돼 구리판에 확산되며 구리-실리콘 합금이 형성된다.

이후 메탄 기체를 주입해 메탄의 탄소 원자와 석영 튜브의 실리콘 원자가 구리 표면에 균일한 실리콘-탄소(Si-C) 층을 만들도록 했다. 이 층이 앞서 합성한 구리-실리콘 합금의 탄소용해도를 제어한다.

고온에서의 구리-실리콘 합금화 과정부터 균일한 다층 그래핀 성장 과정을 보여주고 있다. IBS 제공공동 제1저자인 반루엔 뉴엔 박사는 "아이디어를 내고 균일한 실리콘-탄소 층 제조법을 찾아내기까지 2년의 시행착오가 있었다"고 설명했다.

이렇게 만든 기판으로 실험한 결과 1, 2, 3, 4층의 균일한 다층 그래핀 제조에 성공했으며, 메탄 농도에 따라 층수 조절이 가능하다는 것을 밝혀냈다. 이는 각 층이 정확히 같은 각도로 겹치면서 반도체 웨이퍼에 견줄 수 있는 크기로 대면적 고품질 다층 그래핀을 4층까지 합성한 최초의 연구다.

이영희 연구단장은 "이번 연구는 균일한 다층 그래핀을 성장한 새로운 방법이며, 기존의 증착 방법으로는 불가능했던 고품질 다층 그래핀 제조에 성공했다"고 말했다.

이번 연구성과는 국제 학술지 '네이처 나노테크놀로지'에 28일 0시(한국 시간)에 게재됐다.

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monarch@fnnews.com 김만기 기자

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