'꿈의 소재' 그래핀 실용화 앞당겨졌다

단결정 그래핀 대량 합성기술 세계 최초로 개발

▲그래핀 웨이퍼. 게르마늄이 입혀진 실리콘 웨이퍼표면에서 성장한 단결정 그래핀.[사진제공=미래부]

[아시아경제 정종오 기자]'꿈의 신소재'로 불리는 그래핀 실용화를 앞당긴 신기술이 탄생했다. 국내 연구팀이 웨이퍼 크기의 대면적 단결정 그래핀을 성장시킬 수 있는 합성방법을 세계 최초로 개발해 낸 것이다. 그래핀은 탄소로 이뤄진 단일 원자층 물질로 실리콘에 비해 백배 이상의 전자이동도를 갖는다. 여기에 기계적 강도와 신축성 등이 뛰어나 차세대 전자소자 등에 활용될 수 있는 꿈의 신소재로 주목받고 있다.

그래핀은 다결정 형태로 만들어진다. 단결정(single crystal)과 다결정(poly crystal) 물질의 차이는 대표적인 반도체 소재인 실리콘에서 명확하게 볼 수 있다. 다결정 실리콘의 경우 전자이동도가 50~100 cm2/Vs인데 반해 이를 단결정으로 만들면 1000cm2/Vs으로 10배 이상 높아진다. 또 대면적 소자를 제작할 때 각각 소자 특성의 균일성(uniformity)도 기판 전체가 동일한 특성을 가지기 때문에 월등하게 우수하다. 이러한 이유로 다양한 그래핀의 응용분야에서 단결정 그래핀을 필요로 하고 있었는데 기존의 금속 기판 위에서는 어려움을 겪었다.

연구팀은 기존 금속 촉매 위의 그래핀 합성과 거의 비슷한 장비와 조건을 사용해 반도체 웨이퍼 위에 단결정 그래핀을 합성하는 기술을 개발했다. 그래핀 다결정으로 합성하는 기존의 대면적 합성방식은 그래핀의 전도도나 기계적 강도를 저하시킬 수 있어 응용에 한계가 있었다. 단결정 대면적 제작기술 개발로 앞으로 반도체나 디스플레이 분야에서 그래핀 소자의 활용 가능성이 넓어질 것으로 기대된다.

연구팀은 단결정 그래핀 합성에 일반적으로 사용되는 금속촉매 대신 실리콘 웨이퍼 표면에 입힌 게르마늄을 이용했다. 원자들이 한쪽 방향으로 가지런히 정렬된 게르마늄의 구조를 이용하면 그 위에 성장시키는 그래핀 씨앗들 역시 일정한 방향으로 연결돼 넓은 면적의 단결정의 그래핀 합성이 가능하다는 것이다.

이렇게 합성된 단결정 그래핀은 같은 조건에서 만들어진 다결정 그래핀에 비해 이동도 등 전기적 특성이 월등히 높았다. 게르마늄은 그래핀과 지나치게 강하게 결합하지 않아 실리콘 웨이퍼로부터 분리가 쉽다는 것도 장점이다. 그래핀을 분리한 후 게르마늄 웨이퍼를 다시 그래핀 합성에 재사용할 수 있어 친환경적이고 경제적이다.

이번 연구는 삼성전자 종합기술원 나노일렉트로닉스랩팀 황성우 전무와 성균관대 신소재공학부 황동목 교수 연구팀이 공동으로 수행했다. 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적연구)과 선도연구센터지원사업 등의 지원으로 이뤄졌고 사이언스 온라인 속보(Science Express) 4월 4일자((논문명:Wafer-Scale Growth of Single-Crystal Monolayer Graphene on Reusable Hydrogen-Terminated Germanium)에 실렸다.

게르마늄 반도체 기판에서 그래핀을 합성하는 이번 기술은 기존의 금속 기판을 사용했던 기존기술에 비해 전혀 새로운 패러다임을 제공한다. 산업계에서도 적용할 수 있는 대면적 단결정 그래핀의 생산이 가능하게 돼 그래핀의 소자적 응용에서 문제점으로 지적됐던 균일성 문제 뿐 아니라 기존의 성능을 훨씬 뛰어넘는 소재를 제공할 수 있을 것으로 기대한다.

황성우 삼성전자종합기술원 전무는 "이번에 발표된 단결정 그래핀 합성법은 그래핀의 전자소자 응용을 더욱 앞당길 수 있는 중요한 기술이 될 것"이라며 "앞으로 후속연구를 통해 단결정 그래핀의 크기를 더욱 크게 해 상용화할 것"이라고 말했다.