(a) 타이타늄(Ti, 10 nm) 위에 저온에서 직접 성장된 그래핀 시뮬레이션 결과 (b) 150 ℃ 저온에서 타이타늄 층위에 직접성장된 그래핀의 라만스펙트럼과 50 × 50 ㎛2 면적의 라만 맵핑 결과 : 저온에서 고품질의 그래핀이 성장된 것을 확인하였다.
[대전=일요신문] 육심무 기자 = 충남대 윤순길 교수 연구팀이 타이타늄을 이용해 그래핀을 가공할 때 필수적이던 전사공정을 생략한 새로운 고품질 대면적 그래핀 합성 기술을 개발했다.
꿈의 나노 물질로 불리는 그래핀은 전기전도도와 열 전도성이 높고 기계적 강도가 강하며 유연성과 투명성도 우수하다.
그러나 전사공정에서 내부 결함, 그래핀 결정면의 영역(도메인) 크기와 경계면의 제어의 어려움, 기판과의 접착 문제, 그래핀 표면에 발생한 주름으로 인한 특성 저하 등의 문제가 발생한다.
연구팀은 타이타늄으로 그래핀의 주름을 제거하는 연구성과를 활용, 10㎚(나노미터) 두께의 타이타늄 층 위에 그래핀을 합성하는 기술을 개발했다.
특히 이번 기술은 150℃의 낮은 온도에서 고품질의 그래핀을 넓은 면적으로 합성할 수 있어 공정의 효율성과 응용 가능성을 크게 개선했다.
이 신개념 그래핀 원천기술 개발을 통해 기존 그래핀 소재의 단점을 보완한 새로운 개념의 무결점, 대 면적(4인치 Si-wafer scale) 그래핀 직접성장, 재현성 및 대량 생산이 구현될 뿐만 아니라 기존 금(Au), 구리(Cu) 등의 금속 전극을 대체해 소재 대비 가격 경쟁력과 신뢰성을 만족 할 수 있는 기술이 정립될 것으로 보인다.
또 직접 성장된 그래핀의 우수한 특성을 이용해 FET, 디스플레이 투명전도막, 커패시터 등 다양한 정보 전자소자에 적용이 가능하고 전사공정에서 발생되는 다양한 단점을 보완하며 생산 단가를 낮출 수 있다.
윤순길 교수
윤순길 교수는 “이 연구는 기존 그래핀 소재의 단점을 보완한 새로운 개념의 무결점, 대면적 그래핀을 직접적으로 성장시키는 제조기술을 개발한 것”이라며 “그래핀이 투명하고 유연한 전자소자에 응용될 뿐만 아니라 기존의 금, 구리 등 금속 전극을 대체할 수 있도록 기여할 것”이라고 설명했다.
이 연구 결과는 나노분야의 권위 있는 국제학술지 ACS 나노(ACS Nano) 2월 1일자에 논문명 ‘Defect-Free Graphene Synthesized Directly at 150 °C via Chemical Vapor Deposition with No Transfer’로 게재됐다.
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