'꿈의 신소재'로 각광받고 있는 그래핀을 빠른 속도로 만들 수 있는 기술이 개발됐다. 긴 제조시간으로 상용화에 어려움을 겪고 있는 그래핀을 보다 빨리 제조해 2차원 반도체 물질로 활용할 수 있는 토대가 마련됐다.
IBS(기초과학연구원) 다차원 탄소재료 연구단은 펑딩 그룹리더(UNIST 특훈교수)팀이 중국 연구진과 공동으로 불소(F)를 주입해 기존에 비해 3배 빠른 속도로 그래핀을 만드는 기술을 개발했다고 15일 밝혔다.
그래핀은 2차원 소재 물질로, 얇고 잘 휘면서 단단한 특성을 지녀 차세대 반도체 소재로 각광받고 있다. 하지만, 상용화 수준의 큰 면적으로 만들기 어렵고, 설령 대면적화에 성공하더라도 긴 제조시간으로 사실상 상용화가 어려웠다.
불소를 그래핀에 국소적으로 주입해 성장을 빠르게 하는 원리를 보여주는 개념도.
IBS 제공
연구팀은 다른 전자를 끌어 들이는 능력이 뛰어나고, 반응성이 좋은 불소를 그래핀에 적용했다. 불소를 함유한 금속불화물을 금속기판으로 사용하고, 그 위에 얇은 구리 필름을 올려 기판을 제작했다. 이후 온도를 높여 불소가 금속불화물에서 방출되면서 10∼20 마이크로미터의 매우 좁은 공간에서 머무르게 했다. 불소가 다른 물질과 반응하지 않도록 일종의 장벽을 세운 것이다.
이 틈 속에서 메탄가스는 불소로 인해 분해가 쉬운 형태의 기체로 바뀌고, 그래핀은 더 쉽게 탄소를 얻어 빠르게 성장하게 된다.
루 치우 다차원 탄소재료 연구단 연구원은 "메탄분자와 불소가 반응해 생긴 기체들은 매우 분극화돼 있어 더 쉽게 분해되고, 탄소 공급이 가속화돼 더 빠르게 그래핀을 성장시키는 원리를 적용한 것"이라고 설명했다.
특히 그래핀 성장 속도가 분당 12㎜에 달해 지금까지 보고된 분당 3.6㎜보다 3배 이상 빠르다. 10㎠의 그래핀을 제조하는 데 10분이 걸렸다면, 이 기술을 적용하면 3분 정도로 단축할 수 있는 셈이다.
불소는 그래핀뿐 아니라, 2차원 부도체 물질인 '육방정계 질화붕소'와 반도체 물질인 '텅스텐이황화물'의 성장 속도를 높인다는 것을 연구팀은 확인했다.
펑딩 IBS 그룹리더는 "2차원 물질의 성장 과정에서 불소를 국소적으로 주입하는 간단한 방식으로 상용화 걸림돌인 성장 속도 문제를 해결했다"며 "불소와 같은 반응성이 좋은 물질들로 다양한 2차원 물질을 더 빠른 속도로 합성하는 연구를 지속하겠다"고 말했다.
한편 이 연구결과는 국제 학술지 '네이처 케미스트리(16일자)'에 실렸다. 대전=이준기기자 bongchu@dt.co.kr
IBS 연구진이 개발한 그래핀 초고속 성장기술 모식도로, 2차원 그래핀 성장에 불소를 국소적으로 주입하는 방식의 '초고속 대면적 그래핀 성장기법'을 개발했다.
