레이저를 이용해 단결정 탄화규소(SiC) 기판 위 원하는 곳에 손쉽게 그래핀을 합성하는 새로운 기술을 국내 연구진이 선보였다.

기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 다차원 탄소재료 연구단(단장 로드니 루오프)의 이건재 연구위원(KAIST 신소재공학과 교수) 연구진과 KAIST(총장 강성모) 전기 및 전자공학부 최성율 교수팀은 초단시간의 레이저 조사(照射)를 통한 단결정 탄화규소(SiC)의 고체 상분리 현상을 발견, 이를 활용한 그래핀 생성원리를 규명했다고 1일 밝혔다.

기존에 활용되고 있는 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)¹⁾ 기반의 그래핀 합성법이 상당시간의 고온 공정을 필요로 하는 것과 달리, 새로운 레이저 열처리법은 상온환경에서 단시간의 공정으로 그래핀을 합성할 수 있어 향후 그래핀 활용의 폭을 넓힐 수 있을 전망이다.

연구진은 단결정 탄화규소 소재 표면에 수백 나노초(ns, 10억분의 1초) 수준의극히 짧은 시간 동안 레이저를 쪼여 표면을 순간적으로 녹였다가 다시 응고시켰다. 그러자 탄화규소 표면이 두께 2.5나노미터의 탄소(C) 초박막층과 그 아래 두께 5나노미터의 규소(Si, 실리콘)층으로 분리되는 상분리 현상²⁾이 나타났다.

여기에 레이저를 다시 쪼이자 안쪽 실리콘층은 증발하고, 탄소층은 그래핀이 됨을 확인했다.

특히 탄화규소와 같은 이종원소 화합물과 레이저의 상호작용에 대한 연구는 아주 짧은 시간에 일어나는 복잡한 상전이 현상으로 지금까지 그 규명이 쉽지 않았다. 그러나 연구진은 레이저에 의해 순간적으로 유도된 탄소‧실리콘 초박막층을 고해상도 전자현미경으로 촬영, 실리콘과 같은 반도체 물질이 고체 상태일 때와 액체 상태일 때 보이는 광학 반사율이 다르다는 점에 착안해 탄화규소의 고체 상분리 현상을 성공적으로 규명해낼 수 있었다.

연구에 활용된 레이저 열처리기술은 AMOLED(능동형 유기발광다이오드) 등 상용 디스플레이 생산공정에 널리 활용되고 있는 방법으로, CVD 공정과 달리 레이저로 소재 표면만 순간적으로 가열하기 때문에 열에 약한 플라스틱 기판 등에도 활용이 가능하다. 또한 기판 위 원하는 곳에만 선택적으로 그래핀을 합성할 수 있어, 향후 플렉시블 전자 분야 등으로 응용의 폭을 넓힐 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구를 주도한 IBS 이건재 연구위원은 "이번 연구 결과로 향후 레이저 기술이 그래핀과 같은 2차원 나노소재에 보다 폭넓게 응용될 수 있을 것"이라고 연구의 의의를 설명했다. KAIST 최성율 교수는 "앞으로 다양한 고체 화합물과 레이저의 상호작용을 규명해 이들의 상분리 현상을 활용하면 새로운 나노소재 개발을 기대할 수 있을 것"이라고 전망했다.

본 연구결과는 자연과학 및 응용과학 분야의 세계적 학술지인 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 최신호에 게재됐다

▲ 레이저가 조사된 탄화규소 표면의 전체적인 전자현미경 사진(a) 및 이로 의한 탄소와 실리콘으로의 상분리 현상을 촬영한 고해상도 전자현미경 사진(b).

▲ 레이저에 의해 순간적으로 유도된 단결정 탄화규소의 용융 및 응고 현상을 증명하는 실시간 시간 분해능 반사율 (In-situ time-resolved reflectance) 측정 스펙트럼.

▲ 단결정 탄화규소의 용융을 통한 상분리 현상의 원리를 밝혀내는 분자동역학 시뮬레이션의 모식도. 용용 상태가 불안정하기 때문에 준안정(metastable) 상태로 원자들이 재배열이 되는 것을 시뮬레이션 방법을 통하여 증명.