IBS, 4층짜리 단결정 그래핀 합성 성공
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작성자 감설희
작성일20-07-28 15:21
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구리-실리콘 기판으로 4층까지 균일하게 성장[아이뉴스24 최상국 기자] 그래핀을 네 겹까지 균일하게 쌓을 수 있는 기술이 개발됐다.
기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단 이영희 단장과 삼성종합기술원(반 루엔 뉴엔), 부산대(정세영) 공동 연구진은 4층에 이르는 다층 그래핀을 단결정으로 성장시키는 합성법을 개발했다고 28일 국제학술지 '네이처 나노테크놀로지'에 발표했다.(논문명: Layer-controlled single-crystalline graphene film with stacking order via Cu-Si alloy formation)
1~4층 그래핀의 전자 현미경 사진 [IBS 제공]
단결정 그래핀을 4층까지 합성한 것은 처음이다. 지난 1월 IBS의 다차원탄소재료연구단에서는 같은 학술지에 니켈 기판을 활용한 3층 그래핀 합성법을 발표한 바 있다.
연구진은 이번 성과가 "최초로 단결정 그래핀을 4층까지 쌓은 것은 물론, 장비 크기에 따라 수십~수백 제곱센티미터 면적으로 합성할 수 있어 반도체 고집적 전극 및 다양한 광전극소자등에 응용할 수 있을 것"으로 기대했다.
구리-실리콘 합금을 통한 다층 그래핀 성장 모식도 [IBS 제공]
우수한 전기전도도와 신축성, 강도, 투명성 등으로 각광받고 있는 그래핀은 원자 한 개 두께의 2차원 물질로, 한 겹일 때와 여러 겹을 쌓았을 때의 성질이 달라진다. 특히 단층 그래핀은 밴드갭이 없어서 응용이 제한적이지만 그래핀을 여러 겹 쌓으면 밴드갭 조절을 통해 다양한 전자소자로 응용할 수 있다.
고성능 그래핀 합성에는 일반적으로 화학기상증착법(CVD)이 쓰인다. 구리와 같은 금속 박막 위에서 그래핀을 성장시키는데, 이 때 사용하는 기판 금속이 얼마나 탄소를 품을 수 있느냐(탄소 용해도)에 따라 그래핀의 층수가 조절된다. 구리처럼 낮은 용해도(0.04)를 가진 금속은 단층 그래핀을 만들고, 니켈처럼 높은 용해도(2.7)의 금속은 다층 그래핀을 만든다. 그러나 다층 그래핀은 층수가 불균일해지는 문제 때문에 고품질로 만들기 어려웠다.
이를 해결하기 위해 연구진은 탄소 용해도가 높은 구리 기반 합금을 만드는 데 초점을 맞추고, 여러 시도 끝에 구리-실리콘(Cu-Si) 합금을 만드는 방법을 개발했다. 먼저 화학기상증착 장비에서 기판이 들어가는 부분인 석영 튜브에 구리 기판을 넣고 고온(900도)으로 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.
이렇게 만든 기판으로 실험한 결과, 기존의 불균일한 다층 그래핀 합성과는 달리 1, 2, 3, 4층의 균일한 다층 그래핀이 만들어졌다. 또한 메탄 농도에 따라 층수 조절도 가능했다.
실리콘 웨이퍼 위에 옮겨진 제곱센티미터 규모의 다층 그래핀 사진. 메탄 농도 조절을 통해 다층 그래핀의 층수를 조절하고, 원하는 층수의 다층 그래핀을 웨이퍼 규모로 성장할 수 있었다. [IBS 제공]
공동 제 1저자인 반루엔 뉴엔 박사는 “아이디어를 내고 균일한 실리콘-탄소 층 제조법을 찾아내기까지 2년의 시행착오가 있었다”고 전했다. 석영 튜브 내부에 있는 실리콘을 승화, 구리판에 확산시킬 때 성장 온도나 시간에 따라 균일도가 민감하게 달라져, 균일한 다층 그래핀을 성장하는 조건을 잡는 것이 가장 난제였다.
이영희 연구단장은“고온의 구리-실리콘 합금 합성을 통해 균일한 다층 그래핀을 성장한 새로운 방법으로, 기존에 일반적인 증착 방법으로는 불가능했던 고품질 다층 그래핀 제조에 성공했다”며 이번 실험을 통해 화학기상증착법으로 균일한 다층 그래핀 성장이 가능함을 보였다고 의의를 밝혔다.
이번 연구는 구리 전극을 대체할 고집적 전극 및 그래핀을 반도체 기판으로 이용한 다양한 소자 기술에 기여할 것으로 예상된다. 연구진은 앞으로 품질 안정성을 높이고, 다양한 층수의 다층 그래핀을 다양한 디바이스에 적용해 특성을 심층적으로 파악해 나갈 계획이다.
최상국기자 skchoi@inews24.com
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구리-실리콘 기판으로 4층까지 균일하게 성장[아이뉴스24 최상국 기자] 그래핀을 네 겹까지 균일하게 쌓을 수 있는 기술이 개발됐다.
기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단 이영희 단장과 삼성종합기술원(반 루엔 뉴엔), 부산대(정세영) 공동 연구진은 4층에 이르는 다층 그래핀을 단결정으로 성장시키는 합성법을 개발했다고 28일 국제학술지 '네이처 나노테크놀로지'에 발표했다.(논문명: Layer-controlled single-crystalline graphene film with stacking order via Cu-Si alloy formation)
1~4층 그래핀의 전자 현미경 사진 [IBS 제공]단결정 그래핀을 4층까지 합성한 것은 처음이다. 지난 1월 IBS의 다차원탄소재료연구단에서는 같은 학술지에 니켈 기판을 활용한 3층 그래핀 합성법을 발표한 바 있다.
연구진은 이번 성과가 "최초로 단결정 그래핀을 4층까지 쌓은 것은 물론, 장비 크기에 따라 수십~수백 제곱센티미터 면적으로 합성할 수 있어 반도체 고집적 전극 및 다양한 광전극소자등에 응용할 수 있을 것"으로 기대했다.
구리-실리콘 합금을 통한 다층 그래핀 성장 모식도 [IBS 제공]우수한 전기전도도와 신축성, 강도, 투명성 등으로 각광받고 있는 그래핀은 원자 한 개 두께의 2차원 물질로, 한 겹일 때와 여러 겹을 쌓았을 때의 성질이 달라진다. 특히 단층 그래핀은 밴드갭이 없어서 응용이 제한적이지만 그래핀을 여러 겹 쌓으면 밴드갭 조절을 통해 다양한 전자소자로 응용할 수 있다.
고성능 그래핀 합성에는 일반적으로 화학기상증착법(CVD)이 쓰인다. 구리와 같은 금속 박막 위에서 그래핀을 성장시키는데, 이 때 사용하는 기판 금속이 얼마나 탄소를 품을 수 있느냐(탄소 용해도)에 따라 그래핀의 층수가 조절된다. 구리처럼 낮은 용해도(0.04)를 가진 금속은 단층 그래핀을 만들고, 니켈처럼 높은 용해도(2.7)의 금속은 다층 그래핀을 만든다. 그러나 다층 그래핀은 층수가 불균일해지는 문제 때문에 고품질로 만들기 어려웠다.
이를 해결하기 위해 연구진은 탄소 용해도가 높은 구리 기반 합금을 만드는 데 초점을 맞추고, 여러 시도 끝에 구리-실리콘(Cu-Si) 합금을 만드는 방법을 개발했다. 먼저 화학기상증착 장비에서 기판이 들어가는 부분인 석영 튜브에 구리 기판을 넣고 고온(900도)으로 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.
이렇게 만든 기판으로 실험한 결과, 기존의 불균일한 다층 그래핀 합성과는 달리 1, 2, 3, 4층의 균일한 다층 그래핀이 만들어졌다. 또한 메탄 농도에 따라 층수 조절도 가능했다.
실리콘 웨이퍼 위에 옮겨진 제곱센티미터 규모의 다층 그래핀 사진. 메탄 농도 조절을 통해 다층 그래핀의 층수를 조절하고, 원하는 층수의 다층 그래핀을 웨이퍼 규모로 성장할 수 있었다. [IBS 제공]공동 제 1저자인 반루엔 뉴엔 박사는 “아이디어를 내고 균일한 실리콘-탄소 층 제조법을 찾아내기까지 2년의 시행착오가 있었다”고 전했다. 석영 튜브 내부에 있는 실리콘을 승화, 구리판에 확산시킬 때 성장 온도나 시간에 따라 균일도가 민감하게 달라져, 균일한 다층 그래핀을 성장하는 조건을 잡는 것이 가장 난제였다.
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최상국기자 skchoi@inews24.com
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메르세데스-벤츠, 패션 아이콘 버질 아블로와 협업해 G클래스 기반으로 한 특별 예술작품 제작 발표 [사진제공=벤츠코리아] 메르세데스-벤츠 스포츠유틸리티차량(SUV) G클래스 기반 예술작품 제작을 위해 고든 바그너 벤츠 디자인 총괄과 버질 아블로 루이비통 디렉터가 손을 잡는다.
벤츠는 프로젝트 게랜데바겐(Project Geländewagen)의 첫 컬래버레이션 기획으로 아티스트이자 건축가이고 크리에이티브 디렉터 겸 패션 디자이너인 버질 아블로와의 협업을 27일 발표했다.
이번 파트너십은 '패션'과 '자동차 디자인 예술'이라는 두 가지 세계의 결합인 동시에, 각 분야만이 가진 창의적 범위를 확장해 ‘럭셔리’의 의미를 새로 쓴다는 의미가 있다. 완성된 협업 작품은 오는 9월 8일 오후 4시(중앙유럽 표준시 기준) 디지털 생중계로 전 세계 대중에게 공개된다.
벤츠와 아블로는 최근 코로나19 위기로 어려워진 예술 분야와 전 세계 크리에이티브 커뮤니티를 지원하자는 데 뜻을 모았다.
9월 공개되는 협업 작품을 축소한 특별 레플리카를 경매에 부칠 예정이며, 모든 수익금은 예술 분야를 후원하는 자선 단체에 기부한다. 낙찰자에게는 공동 제작자를 직접 만나볼 기회가 주어지며, 협업 작품 탄생으로 이어진 각 제작자 개인의 영감과 양측이 해당 작품에 담고자 했던 의미에 대해 직접 설명을 들을 수 있다.
메르세데스-벤츠 디자인 총괄 고든 바그너(왼쪽) & 버질 아블로(오른쪽) [사진제공=벤츠코리아] 버질 아블로 디렉터는 "메르세데스-벤츠는 럭셔리와 뛰어난 퍼포먼스를 상징하는 브랜드"라며 "이와 동시에 콘셉트카 디자인의 미래가 스타일 측면에서 어떤 모습으로 바뀔지에 대한 현대적인 아티스트의 아이디어들을 적용할 수 있는 완벽한 틀을 마련했다"고 말했다.
고든 바그너 총괄은 "이번 버질 아블로와의 협업은 메르세데스-벤츠 디자인을 한 단계 더 발전시키기 위한 다음 과정"이라며 "우리는 각각의 분야에서 이전에는 본 적 없는 무언가를 만들어 내겠다"고 전했다.
[박소현 객원기자]
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메르세데스-벤츠 디자인 총괄 고든 바그너(왼쪽) & 버질 아블로(오른쪽) [사진제공=벤츠코리아] 버질 아블로 디렉터는 "메르세데스-벤츠는 럭셔리와 뛰어난 퍼포먼스를 상징하는 브랜드"라며 "이와 동시에 콘셉트카 디자인의 미래가 스타일 측면에서 어떤 모습으로 바뀔지에 대한 현대적인 아티스트의 아이디어들을 적용할 수 있는 완벽한 틀을 마련했다"고 말했다.고든 바그너 총괄은 "이번 버질 아블로와의 협업은 메르세데스-벤츠 디자인을 한 단계 더 발전시키기 위한 다음 과정"이라며 "우리는 각각의 분야에서 이전에는 본 적 없는 무언가를 만들어 내겠다"고 전했다.
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