기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 펑딩 그룹리더(UNIST 특훈교수)와 중국 베이징대 공동 연구팀은 실리콘 같은 절연체 기판 위에서 그래핀 합성 속도가 금속 기판 위보다 1만배 이상 느려지는 이유를 규명했다고 21일 밝혔다.
그래핀은 전기·화학적 특성이 우수해 반도체 분야 '꿈의 신소재'로 불린다.
금속 기판 위에 메탄가스를 주입해 기판을 촉매로 그래핀 박막을 성장시킨 뒤 분리하는 공정을 거치고 있다.
전자소자 위에 바로 그래핀을 합성하면 간단하지만, 시간이 오래 걸린다는 문제가 있다.
이처럼 기판에 따라 그래핀 성장 속도에 차이가 생기는 메커니즘은 밝혀지지 않았다.
연구팀은 절연체 기판 위에서는 원료가 그래핀의 가장자리에 달라붙는 방식으로 성장하는데, 이때 함께 붙은 수소를 떼어내는 데 에너지가 많이 소모돼 성장이 느려지는 사실을 확인했다.
반면 금속 기판을 쓰면 원료가 빠르게 이동해 그래핀 성장 속도가 빨라지는 모습이 관찰됐다.
나아가 연구팀은 그래핀 합성 속도를 높일 수 있는 원리도 밝혔다.
메탄을 저압·고온 열처리하는 공정에서 생겨난 메틸기가 그래핀에 탄소를 공급할 뿐만 아니라 그래핀 가장자리의 수소를 제거하는 역할을 한다는 것을 확인했다.
실리콘 기판에는 메탄이 직접 달라붙지 않기 때문에 메틸기 활성화 가스를 이용하는데, 증기 상태에서는 비율이 낮아 그래핀 성장 속도가 느려지게 된다.
펑딩 그룹리더는 "에너지 소모가 가장 많은 단계를 활성화한다면 절연체 기판 위에 바로 그래핀을 성장시킬 수 있을 것"이라며 "그래핀을 활용한 반도체 제조 공정을 간소화하는 데 기여하길 기대한다"고 말했다.
이번 연구 결과는 국제 학술지 '미국화학회 나노'(ACS Nano) 지난달 22일 자에 실렸다.
