"초저온·초고속 환경서도 '고품질 그래핀' 제조 가능"

고품질의 그래핀을 초저온·초고속 조건으로 제조할 수 있는 기술이 개발됐다.

한국연구재단은 연세대 금현성 교수, 경북대 이태훈·박홍식 교수, 세종대 김성규 교수 연구팀이 500도 이하의 온도에서 기판 표면 손상 없이 단결정에 가까운 고품질 그래핀을 만드는 데 성공했다고 1일 밝혔다.

단결정은 고체 덩어리 전체의 원자 또는 분자가 연속적이고 규칙적인 배열을 이룬 구조를 말한다. 이는 균일한 전기적 특성이 요구되는 반도체 기판 제조에 필요한 성질이다.

공동연구팀이 개발한 기술은 실리콘카바이드(SiC) 기판 위에 고품질 그래핀을 초저온·초고속으로 만드는 것이 가능해 질화갈륨(GaN)·질화알루미늄(AlN) 등 차세대 반도체 박막을 제조하는 게 가능하다.

최근 고성능 질화물(GaN·AlN) 반도체는 전력반도체, 고주파 소자, 마이크로 LED 분야를 중심으로 수요가 빠르게 늘어나는 추세다.

하지만 질화물 반도체를 기판에서 쉽게 떼어낼 수 있는 최적의 기판(기판과 반도체 층 사이를 박리해 기판을 재사용하는 기술)을 만들기 위해서는 SiC 기판을 1500도 이상의 고온에서 그래핀화 하는 공정이 필요하다.

그나마 초고온 공정을 거치더라도 SiC 기판 표면이 거칠어지고 그래핀 두께가 불균일해지는 단점이 있다. 또 고가의 SIC 기판을 재사용하기 어려운 탓에 산업 확장을 위한 제조공정의 변화가 필요한 상황이다.

이와 달리 공동연구팀이 개발한 기술은 500도 이하의 온도에서도 기판 표면 손상 없이 고품질 그래핀을 만들 수 있게 한다.

저온 공정을 가능케 한 핵심 물질은 니켈(Ni) 금속이다. 공동연구팀은 탄소가 그래핀 형태로 재배열될 때 니켈을 금속 촉매로 도입하면 에너지가 안정되는 조건을 만들어 준다는 사실을 발견하고 이를 토대로 니켈 두께와 온도를 조절해 320도에서는 단층~2층 그래핀, 500도에서는 다층 그래핀이 몇 초 안에 형성되는 것을 실증했다.

저온 공정은 SiC 기판 표면을 원자 단위로 매끈한 상태를 유지케 함으로써 최종 반도체 박막이 고온 기반의 공정보다 매우 높은 결정성을 가질 수 있게 했다.

니켈을 이용한 저온 공정은 차세대 반도체 기술 '2D 기반 에피택시(epitaxy·결정 기판 위에 방향성을 가진 단결정 박막을 성장시키는 반도체 기술)' 방식에도 효과적으로 적용할 수 있다. 이는 고가의 SiC 기판을 재사용하는 것과 이종소재 집적이 가능하다는 의미다. 실제 공동연구팀은 니켈 저온 공정으로 제작한 반도체 박막을 마치 스티커처럼 탈부착해도 기판에는 흔적이 남지 않는 것을 확인했다.

금 교수는 "공동연구팀은 저온에서 가능한 그래핀 제조기술로 기판 재사용과 제조비 절감에 해법을 제시했다"며 "이는 향후 저온 기반의 2D 재료 합성과 이종 에피택시 연구의 중요한 이론적 근거가 될 것"이라고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실 사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과(논문)는 지난달 21일 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)' 온라인판에 게재됐다.