탄화규소 기판 위의 비정질 필름 위에서 제작된 단방향의 그래핀을 주사 투과 전자 현미경(Scanning Transmission Electron Microscopy)으로 본 그림

그래핀의 질과 생산성을 모두 잡는 성장 방법이 제시됐다. 성균관대학교 안종열 교수 연구팀이 방향성이 존재하지 않는 기판인 비정질 박막 위에서 한 방향만 가지는 그래핀을 성장시켰다고 한국연구재단은 밝혔다.

탄소원자로 이뤄진 그래핀은 전기전도성, 열전도성, 투명성 등의 우수한 물성으로 인해 꿈의 나노물질로 여겨진다. 오늘날 그래핀의 성장 방법으로는 그래핀의 질이 낮아지거나, 다른 기판으로 옮기기 쉽지 않아 생산성이 낮은 한계가 있었다.

이 연구팀은 비정질 박막 위에서 그래핀을 성장시킴으로써, 질적 우수성을 높이고 다른 기판으로의 전이도 용이하도록 했다. 비정질의 탄화규소 위에 팔라듐을 증착시키고, 남은 탄소들이 그 위에 자연스럽게 단방향을 가진 그래핀으로 성장되도록 유도했다. 그래핀을 포함한 한 방향의 단결정 물질을 성장시키기 위해서 사용되는 기판도 단결정이어야 한다는 일반적인 통념을 깬 사례라고 할 수 있다.

안종열 교수는 “이 연구는 비정질 박막에서 단결정 그래핀을 성장시킴으로써, 그래핀을 포함한 다양한 단결정 성장 방법론 개발에서의 근본적인 한계를 극복했다”라고 연구의 의의를 밝혔다.

이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 원자력연구개발사업, 기초연구사업(중견연구)의 지원으로 수행됐으며 세계적인 권위지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 2월 26일 논문으로 게재됐다.

★ 연구 이야기 ★

Q. 연구를 시작한 계기나 배경은.

A. 2003년 처음으로 그래핀이라는 2차원 물질이 발표됐고 그래핀의 활용도에 따라 여러 성장 방법들이 연구되고 있다. 하지만 성장 방법에 따라 그래핀의 양과 질이 다르기 때문에 선택적으로 성장 방법을 이용하고 있다.

2006년에 발표된 탄화규소에서의 자연 성장시키는 방법의 그래핀은 질적으로는 우수하지만, 그래핀을 다른 기판으로 전이가 쉽지 않다. 또한 2008년에 발표된 금속 위에서 화학 기상 증착법(Cvd)을 이용한 그래핀은 대량 생산이 가능하고 다른 기판으로 전이는 쉽지만, 그래핀의 질적 우수성이 떨어진다.

이에 따라 두 가지의 성장 기법의 단점들을 줄이는 방법에 대해 지속적으로 연구가 이뤄지고 있다.

Q. 연구 전개 과정에 대한 소개.

A. 이번 연구에서는 그래핀이 기판의 방향성이나 질과 상관없이 비정질의 물질 위에서 질 좋은 그래핀을 단방향으로 성장시키는 것이 핵심이다. 방향성이 존재하지 않는 비정질 위에서의 단방향으로 그래핀을 성장시켜야 하기 때문에 화학 증착 기법에는 어려움이 있다.

이에 따라 일반적인 그래핀 성장 방법 중 하나인 탄화규소(SiC) 기판 위에서 에피택시(Epitaxial) 방법을 기초로 했다. 탄화규소 기판에 팔라듐을 증착시킴으로써 규화팔라듐을 만들고 그에 따라 남은 탄소들이 자연스럽게 비정질 위에 단방향을 가지는 그래핀을 성장하는 방법을 실험적으로 구현했다.

Q. 이번 연구 성과 및 기대 효과는.

A. 이번 연구 결과는 위에서 설명한 바와 같이 방향성이 존재하지 않는 기판 위에서 단방향의 그래핀 성장 방법을 개발한 것이다.

그래핀이 전기적인 특성을 가지지 않는 비정질 위에 있음으로써 그동안 에피택시 성장 방법에서 문제가 됐던 전이 방법에도 큰 효과가 있다는 것을 확인했다.

앞으로도 전이가 쉬운 애피택시한 그래핀을 이용해 자기적 특성, 광학 특성, 초전도 현상, 전자구조 현상, 전기적 현상 등 그래핀의 질이 중요하고 기판에 자유로운 물성들을 후속연구로 이어질 것으로 예상된다.

용어설명

* 에피택시 : 특정 결정 구조를 가진 기판 위에 다른 결정 구조물을 성장시키는 방법