4층짜리 단결정 그래핀 대면적 합성한다-그래핀 여러 겹 고품질로 쌓는 합성법 발견… 다양한 소자기술 활용 기대

4층짜리 단결정 그래핀 대면적 합성한다-그래핀 여러 겹 고품질로 쌓는 합성법 발견… 다양한 소자기술 활용 기대

 

보도일2020-07-28 00:00 연구단명나노구조물리 연구단

 

4층짜리 단결정 그래핀 대면적 합성한다
- 그래핀 여러 겹 고품질로 쌓는 합성법 발견… 다양한 소자기술 활용 기대 -

흑연의 원자 한 층인 그래핀은 우수한 전기전도도와 신축성을 갖춘 데다 투명해서 반도체 전극으로 많이 쓰인다. 또 몇 개의 단층 그래핀이 겹쳐있는지에 따라 응용성이 크게 달라진다. 그래핀을 여러 겹 쌓으면 집적회로의 소형화가 가능하고, 반도체의 특징인 밴드갭 밴드갭(Band Gap) : 물질 속 전자들이 모여 있는 부분과 전자들이 전혀 없는 부분 사이 일종의 장벽으로, 이 공간을 자유전자들이 돌아다니면서 전기를 통하게 한다. 밴드갭이 작을수록 전기가 잘 통하며(도체) 멀수록 전기가 통하지 않는다(부도체).
을 조절할 수 있다. 그러나 이제까지 고품질 다층 그래핀을 균일하게 넓은 면적으로 기르기는 어려웠다.
기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노구조물리연구단 이영희 단장과 삼성종합기술원(반 루엔 뉴엔), 부산대(정세영) 공동 연구진은 4층에 이르는 다층 그래핀을 단결정 단결정 : 소재 전체에 걸쳐 원자가 규칙적으로 배열된 형태.
으로 성장시키는 합성법을 개발했다. 4층짜리 균일한 그래핀은 최초일 뿐만 아니라, 장비 크기에 따라 수십~수백 제곱센티미터 대면적으로 합성할 수 있어 반도체 고집적 전극 및 다양한 광전극소자등에 응용할 것으로 기대된다.
고성능 그래핀 합성에는 일반적으로 화학기상증착법(CVD)이 쓰인다. 구리와 같은 금속 박막 위에서 그래핀을 성장시키는데, 금속 기판이 촉매 역할을 해 주입된 탄화수소를 분해하고 흡착하는 원리다. 이 때 사용하는 금속의 탄소 용해도에 따라 층수가 조절된다. 구리처럼 낮은 용해도를 가진 금속은 단층 그래핀을 만들고, 니켈처럼 높은 용해도의 금속은 다층 그래핀을 만든다. 그러나 다층 그래핀은 층수가 불균일해지는 문제 때문에 고품질로 만들기 어려웠다.
이를 해결하기 위해 연구진은 탄소 용해도가 높은 구리 기반 합금을 만드는 데 초점을 맞추고, 여러 시도 끝에 구리-실리콘(Cu-Si) 합금을 만드는 방법을 개발했다. 먼저 화학기상증착 장비에서 기판이 들어가는 부분인 석영(SiO₂) 튜브에 구리 기판을 넣고 900 oC 고온으로 열처리했다. 이 때 튜브에 포함된 실리콘이 기체로 승화돼 구리판에 확산되며 구리-실리콘 합금이 형성된다.
이후 메탄 기체를 주입해, 메탄의 탄소 원자와 석영 튜브의 실리콘 원자가 구리 표면에 균일한 실리콘-탄소(Si-C) 층을 만들도록 했다. 이 층이 앞서 합성한 구리-실리콘 합금의 탄소용해도를 제어한다. 공동 제 1저자인 반루엔 뉴엔 박사는 “아이디어를 내고 균일한 실리콘-탄소 층 제조법을 찾아내기까지 2년의 시행착오가 있었다,”고 설명했다.
이렇게 만든 기판으로 실험한 결과, 기존의 불균일한 다층 그래핀 합성과는 달리 1, 2, 3, 4층의 균일한 다층 그래핀 제조에 성공했으며, 메탄 농도에 따라 층수 조절이 가능함을 보였다. 이는 각 층이 정확히 같은 각도로 겹치면서 반도체 웨이퍼에 견줄 수 있는 크기이며, 대면적 고품질 다층 그래핀을 4층까지 합성한 최초의 연구다.
공동교신저자인 이영희 연구단장은“이번 연구는 높은 온도의 구리-실리콘 합금 합성을 통해 균일한 다층 그래핀을 성장한 새로운 방법이며, 기존에 일반적인 증착 방법으로는 불가능했던 고품질 다층 그래핀 제조에 성공했다”며 이번 실험을 통해 화학기상증착법으로 균일한 다층 그래핀 성장이 가능함을 보였다고 의의를 밝혔다.
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.
이번 연구성과는 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF=31.538) 誌 에 7월 28일 0시(한국 시간)에 게재되었다.

논문/저널/저자
Layer-controlled single-crystalline graphene film with stacking order via Cu-Si alloy formation / Nature Nanotechnology(2020)
Van Luan Nguyen, Dinh Loc Duong, Sang Hyub Lee, José Avila, Gyeongtak Han, Young-Min Kim, Maria C. Asensio, Se-Young Jeong, Young Hee Lee
연구내용
보충설명
- 탄소 한층으로 이루워진 2D 물질인 그래핀은 높은 이동도 특성으로 인해, 많은 전자, 전기 분야에서 각광을 받고 있는 소재이다.

- 다층 그래핀을 성장하려는 다양한 시도가 있었지만, 균일한 성장과 층 수 조절은 여전히 여러운 주제로 남아있었다. 일반적으로 니켈과 같은 높은 탄소 용해도의 물질은 높은 온도에서 탄소를 흡수되고, 낮은 온도에서 한번에 방출함으로써 다층 그래핀을 만드는 것으로 알려져 있다.

- 구리와의 합금을 통해 탄소 용해도를 적절히 높임으로써 균일한 다층 그래핀을 기르려는 연구가 많았다. 그래핀-니켈 합금을 통한 2층 그래핀 합성이 그 중 하나이다.

- 구리-실리콘을 만드는 방법은 다양하게 있으나, 연구진이 실행한 화학기상증착법을 통한 구리-실리콘의 합금화만이 균일한 다층 그래핀 성장을 가능케 했다. 이는 고온에서의 Si-C의 균일한 층 형성이 핵심적인 역할을 했기 때문으로 생각된다.

- 화학기상증착법이란 메탄과 같은 가스를 석영 튜브 내부에 주입해, 촉매와의 반응을 통해 물질을 성장해내는 방법이다. 물리적인 방법에 비해 변수 조절이 용이하며, 대면적을 기르는 방법으로 탁월하다는 장점이 있다.
연구 이야기
[연구 과정] 그래핀은 뛰어난 성능으로 인해 각광받고 있는 소재이며, 현재는 단층 그래핀을 넘어 다층 그래핀에도 관심이 쏠리고 있다. 대면적 다층 그래핀 성장은 다층 그래핀이 가진 뛰어난 물리적인 특성 활용에 필요해서 많은 연구진들이 시도하고 있다.

[어려웠던 점] 구리-실리콘 합금화를 위해 화학기상증착법에서 사용하는 석영 튜브를 900 oC 고온으로 열처리하고 석영 튜브 내부에 있는 실리콘을 승화, 구리판에 확산시키는데, 이때 수소가스를 일정하게 유지시켜 실리콘 양을 제어하는 것이 중요하다. 성장 온도나 시간에 따라 그 균일함이 민감하게 달라져서, 균일한 다층 그래핀을 성장하는 조건을 잡는 것이 가장 난제였다.

[성과 차별점] 다른 증착 방법이 아닌 화학기상증착법 내에서의 구리-실리콘 합금화를 이용한 경우는 처음이며, 대면적 다층 그래핀의 층수를 자유롭게 조절 가능하다는 점이 큰 장점이다.

[향후 연구계획] 다양한 층수의 다층 그래핀을 다양한 디바이스에 적용함으로써 그 차이점을 볼 계획이며, 물리 현상을 심층적으로 측정할 예정이다.

연 구 추 가 설 명

그 림 설 명

[그림 1] 구리-실리콘 합금을 통한 다층 그래핀 성장 모식도
고온에서의 구리-실리콘 합금화 과정부터 균일한 다층 그래핀 성장 과정을 보여주고 있다.

[그림 2] 1~4층 그래핀의 전자 현미경 사진.
투과전자현미경 측정을 통해 단층과 다층 그래핀의 층수를 보여주고 있다. 왼쪽 위부터 시계방향으로 1층, 2층, 3층, 4층 짜리 그래핀이다.

[그림 3] 실리콘 웨이퍼 위에 옮겨진 제곱센티미터 규모의 다층 그래핀 사진
메탄 농도 조절을 통해 다층 그래핀의 층수 조절이 가능했고, 또한 원하는 층수의 다층 그래핀을 웨이퍼 규모로 성장하는 것을 보여줬다.

연구진 이력사항

<이영희 나노구조물리 연구단 단장, 공동교신저자>
1. 인적사항
○ 소 속 : 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단 성균관대학교 물리학과, 에너지과학과 교수

2. 경력사항
1989 - 1990 미국 에임스 국립 연구소, 방문연구원
1993 - 1993 스위스 취리히 IBM 연구소, 방문연구원
1996 - 1997 미국 미시간 주립대학교, 객원연구원
1987 - 2001 전북대학교 물리학과, 전임강사 - 교수
2001 - 현재 성균관대학교 물리학과(학부), 교수
2008 - 현재 성균관대학교 에너지과학과, 교수
2012 - 현재 IBS 나노구조물리 연구단 단장

3. 전문분야정보
2005 한국물리학회 학술상 수상
2005 교육인적자원부 국가석학 선정
2006 과기부 되고 싶고 닮고 싶은 과학기술자 선정
2009 대통령 표창
2014 삼양사 수당재단 제23회 수당상 수상(기초과학부문)
2017 Einstein Award
2018 클래리베이트 애널리틱스 2018 highly cited researcher
2019 경암문화재단 제15회 경암상 수상(자연과학부문)
2020 한국물리학회 성봉물리학상 수상
<반 루엔 뉴엔 나노구조물리 연구단 前연구위원, 공동제1저자>
1. 인적사항
○ 소 속 : 기초과학연구원(IBS) 연구단

2. 경력사항
2016 – 2017 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단 연구위원
2017 – 현재 삼성종합기술원 staff researcher
<두옹 딘 록 나노구조물리 연구단 前연구위원, 공동제1저자>

1. 인적사항
○ 소 속 : 성균관대학교 에너지과학과

2. 경력사항
2012 성균관대학교 Institute of New paradigm of Energy Science Convergence 박사후연구원
2012 – 2014 IBS 나노구조물리 연구단 연구위원
2014 – 2016 Max Planck Institue for Solid State Research 연구원
2016 – 2018 IBS 나노구조물리연구단 연구교수
2019 – 현재 에너지과학과 조교수
<이상협 나노구조물리 연구단 연구위원, 공동제1저자>

1. 인적사항
○ 소 속 : 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단