기초과학연구원 다차원 탄소재료 연구단, 그래핀 접힘 현상 발생하는 온도 찾아내
그래핀에 접힘이 발생하는 메커니즘. 그래핀의 접힘 부분을 전자현미경(a,b) 및 원자현미경(c)으로 촬영한 모습/IBS 제공
기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단이 세계 최초로 접힘과 적층이 없는 완벽한 단결정 그래핀을 대면적으로 제작하는데 성공했다.
그래핀 제작시간도 1시간에서 5분이내로 단축하고 그래핀 제작에 쓰는 기판을 거의 무한정 재사용할 수 있는 기술도 개발해 대량생산의 가능성을 열었다.
연구팀은 화학기상증착법으로 단일층·단결정 그래핀을 합성할 때마다 발생했던 그래핀 접힘 결함 문제를 해결했다.
센티미터 스케일 이상의 대면적으로 그래핀을 합성해내는 데도 성공했다.
합성한 무결점 그래핀의 크기는 4×7㎠로, 연구단이 보유한 퍼니스로 만들어내 수 있는 최대 크기다.
향후 한 번에 그래핀 5장을 같은 품질로 동시에 제조할 수 있다.
기판으로 사용한 구리-니켈 호일도 무한 재활용할 수 있어 대량생산 공정이 가능할 것으로 기대되고 있다.
접힘과 적층이 전혀 없는 무결점 그래핀을 활용하면 소자의 위치나 방향과 무관하게 항상 같은 효율을 내는 고성능 집적회로를 구현하는 것이 가능해진다.
무결점 그래핀에 다른 재료를 적층해 새로운 소자를 개발해 그래핀의 특성을 최대한 활용할 수도 있다.
고성능 그래핀 합성에는 일반적으로 화학기상증착법(CVD)이 쓰인다.
구리와 같은 얇은 금속 호일(박막) 위에서 그래핀을 성장시키는 형태다.
여기에 기판 자체를 단결정 형태로 만드는 것이 단일층·단결정 그래핀을 대면적으로 합성하기 위한 가장 중요한 전제조건이 된다.
연구팀은 수년간의 연구 끝에 그래핀 접힘 현상이 발생하는 온도를 찾아냄으로써 무결점 그래핀을 만들어내는 데 성공했다.
통상 화학기상증착법으로 그래핀을 합성할 때는 1320K 이상의 고온에서 합성한 후 실온까지 냉각하는데, 1030K 이상의 온도에서 기판과 그래핀의 열팽창 특성차이로 접힘이 형성된다는 사실을 발견했다.
1000K에서 1030K 사이에서 그래핀 합성을 시도해 결과적으로 접힘이나 적층이 없는 완전한 형태의 대면적 그래핀을 합성했다.
니켈이 20% 함유된 구리-니켈(111) 단결정 기판을 사용했으며 에틸렌 가스를 탄소원으로 이용했다.
이렇게 만들어낸 그래핀을 저에너지전자빔회절장치, 투과전자현미경 등 최신 분석장비로 분석해 그래핀 전체에 걸쳐 완벽한 단결정이며, 어떤 적층이나 접힘도 없음을 증명했다.
전계효과 트랜지스터의 채널 물질로 시험한 결과 여러 방향으로 놓여진 전극 사이에서도 이방성 문제없이 전하이동이 가능했다.
실리콘의 7배, 기존 그래핀의 약 3배 높은 전하이동도를 나타냈다.
전기화학박리공정으로 기판 양면에 형성된 그래핀을 1분 내에 빠르게 떼어낼 수 있으며, 기판을 5번 재사용해도 중량 손실이 0.0001g에 불과했다.
기판을 무한 재활용할 수 있어 제조비용을 절감하게 된 것이다.
이번에 개발한 단결정 그래핀을 활용하면 소재의 위치나 방향과 무관하게 항상 같은 효율을 내는 고성능 집적 회로를 만드는 것이 가능할 것으로 예상된다.
여기에 다른 2차원 재료와 함께 쌓아 사용한다면 새로운 성능의 소자를 개발할 수도 있다.
휘어지고 투명한 디스플레이, 입는 컴퓨터, 초강력 자동차, 방탄복 등에 사용할 수 있다.
한편 그래핀은 탄소 원자들이 벌집 모양의 육각형으로 나열된 2차원 물질이다.
그래핀을 몇 억 개 쌓아야 머리카락 두께일 정도로 얇고 투명하다.
늘리거나 접어도 전기전도성과 신축성을 보장한다.
강철보다 200배 이상 강하고, 구리보다 100배 이상 전자의 이동성이 빠르다.
다이아몬드와 유사하게 열전도성이 높아 탁월한 특성으로 주목받아 왔다.
하지만 그동안 부분적으로 여러 층의 그래핀이 겹쳐진 적층 구역이나 주름진 접힘 부분이 존재해 그래핀의 기계적·전기적 특성을 저하시키는 문제를 해결하지 못했다.
이번 연구에서 원자 한 층으로만 이루어진 완벽한 2차원 단일층 그래핀을 대면적으로 만들 수 있게 돼 문제를 해결한 것이다.
이번 연구결과는 세계 최고 권위 국제학술지 ‘네이처(Nature)’에 발표됐다.
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