May 28,2017

‘꿈의 신소재’ 그래핀, 레이저로 손쉽게 합성

탄화규소에서 그래핀 상분리

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레이저를 이용해 그래핀을 손쉽게 합성할 수 있는 기술이 개발됐다.

IBS(기초과학연구원) 다차원 탄소재료 연구단 이건재 연구위원과 KAIST(한국과학기술원) 최성율 교수팀은 나노초의 짧은 시간에 레이저를 쪼여 탄화규소(SiC)에서 그래핀을 분리하는 데 성공했다고 1일 밝혔다.

흑연의 표면층에서 떼어낸 탄소나노물질인 그래핀은 전기적·화학적 특성이 우수해 반도체 분야 ‘꿈의 신소재’로 불린다.

기존 화학기상증착법(CVD·화학물질이 기판 위에 막을 형성하도록 하는 방법)을 이용한 그래핀 합성 방식은 시간이 오래 걸리고 고온의 공정이 필요하다.

이번에 개발한 레이저 열처리법은 상온에서 단시간에 그래핀을 합성할 수 있어 그래핀 활용 폭을 넓힐 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀은 단결정 탄화규소에 수백 나노초(ns, 10억분의 1초) 동안 레이저를 쪼여 표면을 순간적으로 녹인 뒤 다시 응고시켰다.

그러자 탄화수소 표면이 2.5 나노미터(㎚, 10억분의 1m) 두께의 탄소(C) 박막층과 5나노미터의 규소(Si, 실리콘) 층으로 나누어지는 상분리 현상이 일어났다.

레이저를 더 쪼이면 규소층은 아예 증발하고, 탄소층만 남아 그래핀이 되는 것이 확인됐다.

연구진이 레이저에 의해 순간적으로 유도된 탄소층과 실리콘층을 고해상도 전자현미경으로 촬영해 분석한 결과, 실리콘과 같은 반도체 물질은 고체일 때와 액체일 때의 광학 반사율이 서로 달라 이 같은 상분리 현상이 나타나는 것으로 분석됐다.

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레이저 열처리 기술은 AMOLED(능동형 유기발광다이오드) 등 상용 디스플레이 생산공정에 널리 쓰이는 기술로, 화학기상증착법과 달리 열에 약한 플라스틱 기판에도 활용할 수 있다.

또 기판 위 원하는 곳에만 선택적으로 그래핀을 합성할 수 있어 플렉시블 기기 등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구 결과는 권위 있는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’(Nature Communications) 이날자에 실렸다.

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