균일하고 정밀한 다층 그래핀 세계 최초 개발
반도체 고집적 전극, 광전극소자 등 다양한 활용 기대

국내 연구진이 주도해 다층 구조의 균일한 그래핀을 세계 처음으로 만드는데 성공했다. 또 대면적으로 합성이 가능해 반도체 고집적 전극이나 다양한 광전극소자 등으로 사용할 수 있을 것으로 기대된다.

기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단, 삼성종합기술원 무기재료연구실, 성균관대 물리학과, 에너지과학과, 부산대 광메카트로닉스공학과, 프랑스 파리-샤클레대, 스페인 마드리드 재료과학연구소 공동연구팀은 네 겹 다층 그래핀을 원자가 균일하게 배열한 단결정으로 성장시키는 합성법을 개발했다. 이 같은 연구결과는 나노분야 국제학술지 ‘네이처 나노테크놀로지’ 28일자에 실렸다.

흑연 원자의 한 층인 ‘꿈의 신소재’ 그래핀은 전기전도도와 신축성이 우수하고 투명해 반도체 전극으로 사용이 가능하다. 단층 그래핀이 겹쳐짐에 따라 다른 성질을 보인다는 특징도 갖고 있다. 문제는 이같은 우수한 특성에도 불구하고 고품질 다층 그래핀을 균일하게 넓은 면적으로 만들기가 쉽지 않다는 점이다.

기존에는 구리 같은 금속 박막에 그래핀을 성장시키는 화학기상증착법(CVD)을 이용해 다층 그래핀을 만드는데 층수가 불균일해지는 경향이 있어 고품질로 만들기가 어려웠다.이에 연구팀은 우선 CVD에서 기판이 들어가는 석영튜브에 구리 기판을 넣고 900도의 고온으로 열처리를 했다. 이렇게 되면 튜브에 포함된 실리콘이 기체로 승화되면서 구리판에 확산돼 구리-실리콘 합금이 만들어진다. 여기에 메탄 기체를 주입해 메탄의 탄소 원자와 석영 튜브의 실리콘 원자가 구리 표면에 균일한 실리콘-탄소층을 만들도록 했다. 이렇게 만들어진 기판은 기존의 불균일한 다층 그래핀 합성과는 달리 1, 2, 3, 4층의 균일한 다층 그래핀을 만들 수 있었으며 메탄 농도를 변화하면 더 많거나 적은 층의 그래핀을 만들 수 있다. 더군다나 이렇게 만들어진 그래핀은 대면적으로도 만들 수 있다는 장점이 있다.

이영희 IBS 나노구조물리연구단장(성균관대 물리학과 교수)는 “이번 연구는 고온의 구리-실리콘 합금을 이용해 균일한 고품질의 다층 그래핀을 만들 수 있는 새로운 방법”이라고 설명했다.

유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr