그래핀을 전자소자로 활용하려면 기판 위에서 그래핀을 합성한 뒤, 분리해내는 공정이 필요하다. 이때 그래핀이 손상되기 쉬울뿐더러 분리 공정 자체도 까다롭다. 전자소자 재료 위에서 곧바로 그래핀을 합성하면 간단하지만, 합성 시간이 오래 걸린다는 문제가 있다. 한국과 중국 공동연구진이 이 문제를 해결할 단서를 발견했다.

▲ 그래핀은 탄소 원자 6개로 된 육각형 고리가 이어 붙은 2차원 물질이다. 강철보다 강하면서도 유연하고 투명하며, 전기전도성 또한 전선 소재로 쓰는 구리보다 100배 이상 좋다. 이 때문에 반도체 소자 집적 한계를 돌파할 새로운 반도체 재료로 각광받는다. (출처: Flickr)

기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 펑딩 그룹리더(UNIST 신소재공학과 특훈교수) 연구팀은 중국 베이징대와 공동으로 그래핀의 합성속도가 금속 기판보다 실리콘과 같은 절연체 위에서 1만 배 이상 느려지는 원인을 규명했다.

그래핀은 탄소(C) 원자 6개로 된 육각형 고리가 이어 붙은 2차원 물질이다. 고품질 그래핀 합성에는 주로 화학기상증착법(CVD)이 쓰인다. 기판 위에 메탄(CH₄) 등 원료 기체를 주입하면, 탄소 원자가 기판에 흡착하며 하나 둘씩 붙어 그래핀이 성장하게 된다. 이때 사용되는 기판에 따라 그래핀 성장속도에 차이가 있지만, 아직까지 그 메커니즘이 명확히 밝혀지지는 않았다.

공동연구진은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 그래핀 합성 단계를 분석한 결과, 절연체와 금속 기판 위에서 그래핀 성장 과정에 차이가 있음을 발견했다. 절연체 기판을 쓸 때는 원료가 그래핀 가장자리에 달라붙는 방식으로 성장한다. 이 경우 수소가 함께 붙게 되는데, 수소 제거에 많은 에너지가 소모돼 성장이 느리다. 반면, 금속 기판을 쓰면 원료가 금속 기판을 타고 빠르게 이동할 수 있어 그래핀 성장이 빠르다.

▲ 절연체 기판(왼쪽) 위에서는 원료가 그래핀 가장자리에 붙으며 그래핀이 성장하지만, 금속 기판(오른쪽) 위에서는 원료가 금속기판을 통해 빠르게 확산한 뒤 가장자리에 붙는 방식으로 성장하기 때문에 성장 속도가 더 빠르다.

더 나아가 연구진은 그래핀 합성 속도를 앞당길 수 있는 원리도 밝혔다. 원료 물질 내 CH₃(메틸 래디컬)의 함량에 따라 합성 속도가 달라진다는 것이다. CH₃은 그래핀에 탄소를 공급할 뿐만 아니라 그래핀 가장자리의 수소를 제거하는 역할을 한다. 즉, 합성 과정에서 수소 제거에 추가적인 에너지를 덜 사용해도 되기 때문에 시간을 단축할 수 있다. 가령, 메탄가스가 분해돼 생기는 증기 상태 원료를 이용하면 CH₃ 비율이 낮아 그래핀이 느리게 성장하지만, CVD 공정에서 사용되는 메탄가스는 CH₃ 비율이 높아 상대적으로 빠른 성장이 가능하다.

펑딩 그룹리더는 “에너지 소모가 가장 많은 단계를 활성화시키면, 절연체 기판 위에서도 곧바로 그래핀을 성장시킬 수 있게 될 것”이라며 “그래핀을 활용한 반도체 제조 공정을 간소화할 수 있는 단서를 찾았다는 데 큰 의미가 있다”고 말했다.

연구결과는 나노과학 분야 국제학술지인 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 3월 22일자에 실렸다.

IBS 커뮤니케이션팀
권예슬