기초과학연구원(IBS) 연구진이 초고속 그래핀 성장법을 개발했다.

IBS 다차원 탄소재료 연구단 펑딩(Feng Ding) 그룹리더팀은 중국 연구진과의 공동연구를 통해 불소(F)를 주입해 기존보다 3배 빠른 속도로 그래핀을 성장시키는 데 성공했다. 이는 지금까지 학계에 보고된 최고속도다.

원자 두께의 2차원 소재는 얇고 잘 휘면서도 단단한 특성을 지녀 차세대 반도체 소재로 각광받고 있다. 하지만 상용화가 가능할 정도로 크게 만드는 것이 난제다. 대면적 제작에 성공한 물질 자체가 드문데다, 대면적화(化)에 성공하더라도 긴 제조시간으로 인해 사실상 상용화는 어려웠다.

물성이 우수한 2차원 소재를 활용하기 위해서는 제조시간 단축이 급선무다. 지금까지는 원료물질을 바꾸거나 온도를 조절하는 등 제조환경 자체를 바꾸는 방법이 시도됐다. 하지만 이 방식으로는 그래핀의 성장을 완전히 제어 할 수 없어 근본적인 해결책이 필요한 상황이다.

공동연구진은 그 해결책으로 불소에 주목했다. 원자나 분자가 화학 결합을 할 때 다른 전자를 끌어들이는 전기음성도(Electronegativity)가 높은 불소를 합성 과정에 적용하면 2차원 소재의 빠른 합성에 유리할 것으로 예상했다. 불소기체를 곧바로 주입할 경우 반응성이 큰 불소가 다른 물질과 결합해 독성물질을 생성할 위험이 있다. 이 때문에 연구진은 공간적으로 제한된 부분에서만 국소적으로 불소를 활용하는 방법을 고안했다.

우선 연구진은 대표적인 2차원 도체물질인 그래핀 성장에 불소를 적용했다. 일반적으로 그래핀 성장에는 화학기상증착(CVD)법*이 쓰인다. 이는 금속기판 표면에 메탄가스(CH4)를 주입하며, 메탄 속 탄소(C) 원자가 금속기판에 흡착하는 식으로 그래핀을 형성하는 방식이다.

연구진이 개발한 초고속 성장기술의 모식도(a,b/위), 국소적 불소 주입을 통한 초고속 그래핀 성장 원리(아래). 금속불화불과 구리 박막 사이 좁은 틈에 갇힌 불소(F)는 메탄가스(CH4)를 더 쉽게 분해되는 형태의 기체로 변환시키고, 이 때문에 그래핀은 원료인 탄소를 쉽게 얻어 더 빠르게 성장할 수 있다.

연구진은 금속기판으로 불소를 함유한 금속불화물(MF2)을 사용하고, 이 위에 얇은 구리(Cu) 필름을 올린 형태의 기판을 제작했다. 그리고 온도를 높여 불소가 금속불화물로부터 방출되게 했다. 불소는 금속불화물과 구리 필름 사이의 10~20㎛(마이크로미터‧1㎛는 100만 분의 1m)의 매우 좁은 공간에서만 머물게 된다. 불소가 다른 물질과 반응하지 않도록 일종의 장벽을 세워 가둔 것이다. 이 틈 속에서 불소로 인해 메탄가스는 더 분해가 쉬운 형태의 기체(CH3F, CH2F2)로 바뀌고, 최종적으로 그래핀은 더 손쉽게 원료인 탄소를 얻어 더 빠르게 성장할 수 있다.

공동 제1저자인 루 치우(Li Qui) IBS 다차원 탄소재료 연구단 연구원(UNIST 박사과정생)은 “메탄분자와 불소가 반응해 생긴 기체들은 매우 분극화 돼 있어 더 쉽게 분해되고, 이로 인해 탄소 공급이 가속화돼 더 빠르게 그래핀을 성장시킬 수 있는 것”이라고 설명했다.

새로 개발된 기술은 그래핀을 분당 12㎜의 속도로 빠르게 성장시켰다. 이는 지금까지 보고된 그래핀 성장 최고속도였던 분당 3.6㎜ 보다 3배 이상 빠른 속도다. 가령, 기존에 면적 10㎠ 그래핀 제조에 10분이 소요됐다면, 개발된 기술로는 이 시간을 3분 정도로 단축할 수 있는 셈이다.

연구진은 이 기술을 대표적인 2차원 부도체 물질인 육방정계 질화붕소(h-BN)와 반도체 물질인 텅스텐이황화물(WS2) 성장에도 적용해본 결과, 그래핀과 마찬가지로 주입된 불소가 성장속도를 크게 단축함을 확인했다. 불소가 다양한 2차원 소재들의 성장속도를 가속하는 상용화의 열쇠임을 증명했다.

펑딩 그룹리더는 “2차원 물질의 성장과정에서 불소를 국소적으로 주입하는 간단한 방식으로 상용화의 걸림돌이 되던 성장속도 문제를 해결했다”며 “불소와 같은 반응성이 좋은 물질들로 다양한 2차원 물질을 더 향상된 속도로 합성할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구결과는 국제 학술지인 네이처 케미스트리(Nature Chemistry, IF 25.870)에 7월 16일 0시(한국시간) 게재됐다.

*용어설명

화학기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)

화학기상증착은 화학 물질을 플라즈마나 열을 이용해 박막으로 형성시키는 방법이다. 고온 조건에서 메탄과 같은 탄소를 포함한 기체가 구리 호일과 같은 촉매 금속 기판과 반응해 그래핀을 성장시키는 방식으로, 고품질 그래핀을 대면적으로 생산할 수 있는 최적의 방법으로 알려져 있다.

이밖에 기계적 박리(Mechanical Exfoliation) 방법은 흑연(Graphite)과 같은 그래핀의 적층 형태로 되어있는 물질을 물리적으로 각 층으로 분리하는 방법이다. 2004년 러시아 출신 물리학자 안드레 가임(Andre Geim)과 콘스탄틴 노보셀로프(Konstantin Novoselov)가 연필 심(흑연)으로부터 테이프를 이용하여 그래핀을 최초로 분리하는데 성공하고, 그 공로로 2010년 노벨 물리학상 수상했다.

액체 상 박리(Liquid-Phase Exfoliation) 방법은 액체 상에서 화학 물질을 첨가하여 흑연 내 그래핀 사이에 상호작용을 약화시킨 후 초음파로 분리하는 방법이다.