[광주=미디어전남]진태호 기자=반도체 소자의 물리적 손상 없이 50~300℃의 저온에서 그래핀을 대면적으로 합성할 수 있는 새로운 공정기술이 개발됐다.

이번에 개발된 기술은 그래핀 저온 합성 기술의 상용화에 가장 큰 걸림돌인 대면적화의 어려움을 해결하고 고온에서 합성되는 그래핀만큼 품질이 우수한 그래핀을 구현해, 그래핀 기반 차세대 반도체 소자의 산업화 시점을 앞당길 것으로 기대된다.

GIST(광주과학기술원) 신소재공학부 함문호 교수(교신저자) 연구팀은 이러한 내용의 연구 논문을 네이처(Nature) 자매지인 사이언티픽 리포츠(Scientific Reports)를 통해 발표(12월 10일자)했다.

일반적으로 대면적 고품질의 그래핀은 약 800~1000℃에서 저압화학기상증착법으로 합성한다. 하지만 이러한 공정은 비용이 많이 들고 고온(高溫)에 취약한 기판을 사용할 수 없다.

벤젠이나 톨루엔 같은 액상 탄소소스를 이용해 저온에서 그래핀을 합성한 연구가 보고되었지만, 작은 플레이크(flake) 형태의 불연속적인 그래핀이 합성되고 있고 상용화를 위해서는 저온에서도 연속적인 박막 형태(대면적)의 그래핀을 합성할 수 있는 기술이 요구된다.

GIST 연구팀은 그래핀을 저온에서 합성하기 위해 상압화학기상증착시스템*을 적용하고, 액상의 벤젠 탄소소스를 주입할 수 있는 버블러(bubbler)를 장착한 뒤 시스템 내부를 정화하기 위해 진공펌프를 추가로 설치했다.

상압화학기상증착법: 기체상태의 화합물을 가열된 기판 위에서 반응시켜 원하는 박막을 증착하는 화학기상증착법. 대기압(1 기압)에서 공정을 진행한다.

일반적으로 그래핀을 합성하는 저압화학기상증착법과 달리 그래핀 합성 공정이 대기압에서 진행되기 때문에, 산소나 물 분자 등 불순물이 시스템 내부에 잔류해 그래핀 합성을 저해하고 합성된 그래핀의 특성에 악영향을 미친다.

연구팀은 먼저 그래핀 합성 공정 전에 진공펌프를 이용해 시스템 내부의 공기를 제거하고 아르곤 가스를 주입하는 공정을 수차례 반복함으로써 시스템 내부에 잔류해 있는 불순물을 제거하고 정화했다. 이어 약 300℃에서 촉매금속 위에 5분 동안 벤젠을 주입해 그래핀을 합성했다.

이렇게 합성한 그래핀의 라만 스펙트럼을 확인한 결과 그래핀의 품질을 나타내는 D 피크와 G 피크의 세기 비율(ID/G)이 0.1 이하로 매우 낮고, 그래핀 층수를 나타내는 2D 피크와 G 피크의 세기 비율(I2D/G)이 2.0 이상으로 나타나, 대면적이면서 모든 영역이 연속적으로 연결된 박막 형태의 고품질 단층 그래핀이 합성됨을 확인했다.

또한 그래핀 필름의 면(面) 저항은 1,000Ω/□, 전하이동도는 1,900~2,500㎝2/Vs로 고온에서 메탄가스를 이용해 합성한 그래핀과 비슷한 우수한 전기적 특성을 나타냈다.

함문호 교수는 “이번에 개발한 그래핀 저온 합성 기술은 그래핀의 활용 분야를 확장할 수 있고 현재의 반도체 공정과 호환이 가능해 유연성 기판이나 반도체 소자 위에 그래핀을 직접 합성할 수 있다”며 “반도체 소자와 배선, 유연 소자 등의 그래핀 기반 미래형 전자소자의 산업화와 실용화를 앞당기는 데 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

함문호 교수가 주도하고 장지수 석사과정생과 손명우 박사과정생(이상 공동 제1저자·GIST 신소재공학부)이 수행한 이번 연구는 한국연구재단의 글로벌프론티어사업과, 산업통상자원부와 한국반도체연구조합이 공동 지원하는 미래반도체소자 원천기술개발사업의 지원을 받아 진행됐다.

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