기초과학연구원(IBS)은 나노구조물리연구단 이영희(사진) 단장과 삼성종합기술원, 부산대 공동 연구팀이 고품질의 4층 짜리 그래핀을 합성하는 데 성공했다고 28일 밝혔다.

그래핀은 흑연의 한 층에서 떼어낸 2차원 물질로 전기·화학적 특성이 우수해 반도체·디스플레이 분야 '꿈의 신소재'로 불린다.

특히 반도체 전극으로 많이 쓰인다. 그래핀을 여러 겹 쌓으면 집적회로의 소형화가 가능하다. 그러나 이제까지 고품질 다층 그래핀을 균일하게 넓은 면적으로 키우기는 어려웠다.

연구팀은 처음으로 고품질의 다층 그래핀을 단결정으로 성장시키는 합성법을 개발했다.

단결정은 구성 원자의 배열과 배향이 규칙적인 형태로 다결정보다 열·전기 전도 등이 우수하다.

화학기상증착법(CVD)을 이용해 다층 그래핀을 합성하기 위한 다양한 시도가 있었지만, 품질을 균일하게 성장시키기 어려웠다.

화학기상증착법은 금속 박막 기판 위에 메탄 등 기체를 주입, 기판을 촉매로 해 그래핀 박막을 성장시키는 방법이다.

기체 상태의 원료가 금속 기판을 만나 분해되고, 분해된 탄소들이 다시 결합하면서 그래핀이 만들어지는 원리이다.

연구팀은 우선 구리-실리콘 합금 기판을 만든 뒤 메탄 가스를 주입, 메탄의 탄소 원자와 실리콘 원자가 구리 표면에 균일한 '실리콘-탄소' 층을 만들도록 했다.

이를 통해 구리-실리콘 합금의 탄소 용해도를 높임으로써 균일한 4층의 그래핀을 합성했다.

메탄 농도에 따라 층수 조절도 가능하다고 연구팀은 설명했다.

공동교신저자인 이영희 연구단장은 "이번 연구는 높은 온도의 구리-실리콘 합금 합성을 통해 균일한 다층 그래핀을 만들어낸 새로운 방법"이라며 "이번 실험을 통해 화학기상증착법으로 균일한 다층 그래핀 성장이 가능함을 보였다"고 설명했다.

이번 연구는 구리 전극을 대체할 고집적 전극 및 그래핀을 반도체 기판으로 이용한 다양한 소자 기술에 기여할 것으로 예상된다. 연구진은 앞으로 대량 합성 실험을 반복할 때 석영 튜브가 손상되는 문제를 해결하고 품질 안정성을 높이는 연구를 수행할 예정이다.