국내 연구진이 웨이퍼 크기의 대면적 단결정 그래핀을 성장시킬 수 있는 합성방법을 세계 최초로 개발하여 꿈의 신소재인 그래핀의 실용화를 획기적으로 앞당길 수 있는 새로운 전기를 마련했다.

그래핀은 탄소로 이뤄진 단일 원자층 물질로 실리콘에 비해 백배 이상의 전자이동도를 갖는데다 기계적 강도와 신축성 등이 뛰어나 차세대 전자소자 등에 활용될 수 있는 꿈의 신소재로 주목받는다.

삼성전자 종합기술원 황성우 박사와 성균관대학교 신소재공학부 황동목 교수 연구팀이 공동으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적연구)과 선도연구센터지원사업 등의 지원으로 수행되었으며, 그 중요성을 인정받아 사이언스 온라인 속보(Science Express) 4월 4일자로 소개됐다. 

연구팀은 기존 금속 촉매 위의 그래핀 합성과 거의 비슷한 장비와 조건을 사용해 반도체 웨이퍼 위에 단결정 그래핀*을 합성하는 기술을 개발했다.

그래핀 다결정으로 합성하는 기존의 대면적 합성방식은 그래핀의 전도도나 기계적 강도를 저하시킬 수 있어 응용에 한계가 있었다.

이번 단결정 대면적 제작기술 개발로 향후 반도체나 디스플레이 분야에서의 그래핀 소자의 활용 가능성이 넓어질 것으로 기대된다.

연구팀은 단결정 그래핀 합성에 일반적으로 사용되는 금속촉매 대신 실리콘 웨이퍼 표면에 입힌 게르마늄을 이용했다.

원자들이 한쪽 방향으로 가지런히 정렬된 게르마늄의 구조를 이용하면 그 위에 성장시키는 그래핀 씨앗들 역시 일정한 방향으로 연결되어 넓은 면적의 단결정의 그래핀 합성이 가능하다는 설명이다.

이렇게 합성된 단결정 그래핀은 같은 조건에서 만들어진 다결정 그래핀에 비해 이동도 등 전기적인 특성이 월등히 높게 나타났다.

특히 게르마늄은 그래핀과 지나치게 강하게 결합하지 않아 실리콘 웨이퍼로부터 분리가 쉽다는 것도 장점이다. 그래핀을 분리한 후, 게르마늄 웨이퍼를 다시 그래핀 합성에 재사용할 수 있어 친환경적이고 경제적이기 때문이다.

삼성전자종합기술원 황성우 박사는 “이번에 발표된 단결정 그래핀 합성법은 그래핀의 전자소자 응용을 더욱 앞당길 수 있는 중요한 기술이 될 것이며 앞으로 후속연구를 통해 단결정 그래핀의 크기를 더욱 크게 하여 상용화할 것”이라고 밝혔다.