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이영희 단장팀, 1겹짜리 그래핀 4겹으로… 네이처 자매지 게재
층수따라 배가되는 전기전도도… "반도체소자 기술에 응용"

전자현미경으로 관찰한 4층짜리 다층 그래핀./IBS 제공
국내 연구진이 2차원 물질인 그래핀을 여러 층으로 쌓아 반도체 회로의 집적도를 높일 수 있는 기술을 개발했다.

이영희 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단장 연구팀은 4층짜리 ‘다층(多層) 그래핀’을 넓고 고르게 합성하는 방법을 세계 최초로 개발했다고 28일 밝혔다. 연구성과는 네이처 자매지인 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)’에 이날 게재됐다.

그래핀은 탄소 원자가 육각형으로 평평하게 배열된 2차원 물질이다. 전기가 잘 통하고 투명·유연해 반도체 소재로 쓰이고 있다. 한층짜리 구조인 그래핀을 여러 층으로 쌓은 다층 그래핀을 활용하면 반도체 회로를 더 작게 만들 수 있다.

그래핀을 만들기 위해 ‘화상기상증착법(CVD)’이 사용되고 있다. 고온 환경에서 메테인(메탄) 기체를 탄소와 수소로 분해한 후 탄소만 구리 기판에 달라붙게 하는 원리다. 구리 대신 니켈을 기판으로 활용하면 그래핀이 여러 층으로 쌓이지만 층수가 불균일해 성능 구현에 한계가 있다.

구리-실리콘 합금을 통한 다층 그래핀 합성 과정./IBS 제공
연구팀은 섭씨 영상 900도의 고온에서 구리 기판에 실리콘을 증착시켜 구리-실리콘 합금을 만들었다. 구리-실리콘 합금을 기판으로 사용하면 구리만 사용했을 때보다 탄소가 더 고르게 증착된다는 사실을 발견했다. 연구팀은 이를 이용해 4층짜리 다층 그래핀을 가로·세로 수 센티미터 크기로 고르게 만드는 데 성공했다. 메테인의 농도를 조절해 층수도 결정할 수 있다.

연구팀은 "층수에 비례해서 전기저항이 작아지고 그만큼 전기가 잘 통하게 된다"며 "이 특성을 다양한 반도체소자 기술에 응용할 수 있다"고 설명했다.

연구팀은 향후 대량 합성 실험을 반복해 품질 안정성을 높이는 연구를 수행할 계획이다. 이 단장은 "다층 그래핀을 다양한 전자기기에 적용해 성능 차이를 확인할 것"이라고 말했다.

1~4층짜리 그래핀을 실리콘 기판 위에 각각 나열한 모습. 메테인(메탄) 농도를 조절하면 층수가 결정된다./IBS 제공

[김윤수 기자 kysme@chosunbiz.com]




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