불소 이용해 그래핀 제작 속도 3배 높인다

입력 : ㅣ 수정 : 2019-07-16 00:00

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韓-中 공동연구팀, 그래핀 반도체 상용화를 위한 초석 마련
그래핀 위피피디아 제공

▲ 그래핀
위피피디아 제공

‘꿈의 신소재’ 그래핀은 탄소 원자의 얇은 한 층 두께의 물질로 최근 2차원물질 반도체 소재로 주목받고 있다. 반도체로 상용화되기 위해서는 그에 걸맞는 크기로 만드는 것이 중요한데 쉽지 않다는 것이 문제이다.

국내 연구진이 포함된 국제 공동연구팀이 반도체로 상용화 하기 위해 대면적화하는 기술을 개발하는데 성공했다.

기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단, 울산과학기술원(UNIST) 신소재공학부 연구진은 중국 북경대 물리학부, 청두 국립전자과기대, 광저우 화남사범대, 송샨호 재료과학연구소 등 중국 연구진들과 함께 불소(F)를 이용해 기존보다 3배 빠른 속도로 그래핀을 성장시키는데 성공하고 화학 분야 국제학술지 ‘네이처 케미스트리’ 16일자에 발표했다.

그래핀처럼 원자 두께의 2차원 소재는 얇고 잘 휘면서도 단단하다는 특징 때문에 차세대 반도체 소재로 각광받고 있다. 그러나 반도체로 만들기 위해서는 대면적 제작이 쉽지 않고 대면적 제작 시간이 지나치게 오래 걸린다. 많은 연구자들이 원료물질을 바꾸거나 온도 조절 같은 제조환경 변경으로 제조시간을 단축하는 방법을 찾았지만 그래핀 성장을 완전히 제어할 수 없어 근본적인 해결책이 필요했다.

연구팀은 원자나 분자가 화학결합을 할 때 다른 전자를 끌어들이는 전기음성도가 높은 불소에 주목했다. 그러나 반응성이 큰 불소기체는 곧바로 주입할 경우 다른 물질과 결합해 독성물질을 만들어 낼 수 있다. 이 때문에 공간적으로 제한된 부분에서만 국소적으로 불소를 활용하는 방법을 찾아냈다.

연구팀은 금속기판에 불소를 함유한 금속불화물을 사용하고 그 위에 얇은 구리 필름을 올린 형태의 기판을 제작했다. 그 다음 온도를 높여 불소가 금속불화물에서 방출되도록 했다. 이렇게 되면 불소는 금속불화물과 구리 필름 사이 10~20㎛(마이크로미터)의 좁은 공간에 머물게 된다. 이 틈 속에서 불소로 인해 메탄가스는 더 분해되기 쉬운 형태의 기체로 바뀌고 결국 그래핀은 원료인 탄소를 손쉽게 얻어 더 빠르게 성장하게 되는 것이다.
연구진이 개발한 초고속 성장기술의 모식도 연구진은 2차원 그래핀 성장에 불소를 국소적으로 주입하는 방식의 초고속 대면적 성장기법을 개발했다. 금속불화불과 구리 박막 사이 좁은 틈에 갇힌 불소(F)는 메탄가스(CH4)를 더 쉽게 분해되는 형태의 기체로 변환시키고, 이 때문에 그래핀은 원료인 탄소를 쉽게 얻어 더 빠르게 성장할 수 있다.  IBS 제공

▲ 연구진이 개발한 초고속 성장기술의 모식도
연구진은 2차원 그래핀 성장에 불소를 국소적으로 주입하는 방식의 초고속 대면적 성장기법을 개발했다. 금속불화불과 구리 박막 사이 좁은 틈에 갇힌 불소(F)는 메탄가스(CH4)를 더 쉽게 분해되는 형태의 기체로 변환시키고, 이 때문에 그래핀은 원료인 탄소를 쉽게 얻어 더 빠르게 성장할 수 있다.

IBS 제공

이번에 새로 개발된 기술은 분당 12㎜의 속도로 그래핀을 성장시켰다. 기존 그래핀 성장속도는 3.6㎜에 불과했다. 10㎠ 그래핀을 만들 때 10분이 걸렸다면 이번 기술을 활용하면 3분 정도 단축시킬 수 있게 된 것이다.

연구팀은 2차원 부도체 물질은 육방정계 질화붕소와 반도체 물질인 텅스텐 이황화물 성장에도 도움이 되는 것을 확인했다.

펑 딩(UNIST 특훈교수) IBS 다차원 탄소재료 연구단 그룹리더는 “이번 연구는 2차원 물질의 성장과정에서 불소를 국소적으로 주입하는 간단한 방식으로 상용화 걸림돌이 되던 성장속도 문제를 해결한 것”이라고 말했다.

유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr
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