그래핀을 전자소자로 활용하려면 우선 금속 기판 위에서 그래핀을 합성한 뒤 기판에서 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.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 다차원 탄소재료 연구단(단장 로드니 루오프) 펑딩 그룹리더(UNIST 신소재공학과 특훈교수) 연구팀은 중국 베이징대와 공동으로 그래핀의 합성속도가 금속 기판보다 실리콘과 같은 절연체 위에서 1만 배 이상 느려지는 원인을 규명했다. 첨단 컴퓨터 시뮬레이션 연구를 통해 그래핀을 활용한 반도체 공정 개선의 단초를 마련했다는 평가다.

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.

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.

제1저자인 팅 청(Ting Cheng) 연구원은 “그래핀의 성장 속도는 사용되는 기판에 영향을 받기 때문에 지금까지는 기판의 종류와 관련된 연구가 주로 진행됐다”며 “이번 연구로 절연체 기판을 사용할 때는 기판의 종류보다 사용하는 원료의 종류가 더 중요하다는 것을 발견할 수 있었다”고 설명했다.

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‧IF 14.588)’ 3월 22일자에 실렸다.

※ 논문명 : The Mechanism of Graphene Vapor-Solid Growth on Insulating Substrates

그림설명

▲ [그림 1] 절연체와 금속 기판 위에서 그래핀이 성장하는 모습일반적으로 절연체 기판(왼쪽) 위에서 그래핀의 합성속도는 금속 기판(오른쪽) 대비 1만 배 이상 느리다. IBS 다차원 탄소재료 연구단은 국제 공동연구를 통해 그 원인을 처음으로 밝혔다.

▲ [그림 2] 절연체 기판과 금속 기판에서 그래핀 합성 과정 차이절연체 기판(왼쪽) 위에서는 증기 상태 원료가 바로 그래핀 가장자리에 붙으며 그래핀이 성장한다. 반면, 금속 기판(오른쪽) 위에서는 원료가 금속기판을 통해 빠르게 확산한 뒤 그래핀 가장자리에 붙는 방식으로 성장하기 때문에 성장 속도가 빠르다.