차세대 반도체 소재로 주목받는 그래핀을 저렴한 비용으로, 크게 합성할 수 있는 방법이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국과학기술연구원(KIST)은 광전소재연구단 소속 송용원 박사 연구팀이 그래핀을 포함한 2차원 나노 소재의 합성에 대한 메커니즘을 수학적으로 규명했다고 15일 밝혔다.

최근의 반도체 기술은 처리능력 향상을 위해 소자 밀도가 높아지면서 전력 수요가 증가함에 따라 기하급수적으로 증가하는 열로 인해 소자의 성능을 제대로 구현할 수 없는 한계에 이르렀다.

이에 따라 기존 반도체 소자 물질인 실리콘을 대체할 물질로 저전력 고효율의 2차원 나노 소재인 그래핀에 대한 연구가 활발하다.

그러나 2차원 소재가 실제 어떻게 합성되는지에 대한 메커니즘은 규명되지 않고 있는 실정이다.

이번에 송 박사 연구팀은 그래핀 같은 나노 소재의 합성에 적용할 수 있는 메커니즘을 수학적으로 찾아낸 뒤 실제 실험을 통해 이를 입증했다.

연구진은 또 이 과정에서 새로운 비금속 절연기판 소재인 γ-Al203(감마상의 알루미나) 기판을 그래핀의 합성을 위한 촉매 겸 기판으로 개발해 그래핀을 금속 촉매 없이 절연 기판 위에 곧장 합성하는 데도 성공했다.

기존의 그래핀 합성법은 구리나 니켈 등을 촉매로 써 그래핀을 합성한 뒤 여기에서 다시 금속 촉매를 분리하는 등의 복잡한 공정을 거쳐야 해 비용이 많이 들고 환경적 문제도 발생했다.

그러나 γ-Al203 기판을 쓰면 이런 금속 촉매가 필요없고 다른 추가공정 없이 그대로 사용할 수 있으며, 100도 정도의 저온 공정에서 그래핀을 합성할 수 있었다.

또 균일한 그래핀 합성에도 최적이고, 그래핀에 폴리머를 코팅해 '그래핀 스티커'로 만들면 플렉서블 소자에도 활용할 수 있는 것으로 나타났다.

연구를 수행한 박재현 KIST 박사후연구원은 "그래핀을 포함해 다양한 2차원 나노 소재의 합성을 위한 새로운 촉매와 성장법 연구, 새로운 나노 소재의 개발 등에 연구 결과가 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.

이 같은 연구 결과는 '사이언티픽 리포트' 3일자에 게재됐다.