기초과학연구원, 레이저를 활용한 새로운 그래핀 생성원리 발견
고체 상분리 현상 이용한 2차원 나노소재 상용화 기대
기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단의 이건재 연구위원(KAIST 신소재공학과 교수) 연구진과 KAIST 전기 및 전자공학부 최성율 교수팀이 최근 초단시간의 레이저 조사(照射)를 통한 단결정 탄화규소(SiC)의 고체 상분리 현상을 발견하여, 이를 활용한 그래핀 생성원리를 규명했다고 밝혔다.
그래핀(graphene)에 대해
흑연은 탄소를 6각형의 벌집모양으로 층층이 쌓아올린 구조로 이루어져 있는데 그래핀은 흑연에서 가장 얇게 한 겹을 떼어낸 것으로, 탄소동소체(同素體)인 그래핀은 탄소나노튜브, 풀러렌(Fullerene)처럼 원자번호 6번인 탄소로 구성된 나노물질이다. 2차원 평면 형태를 가지고 있으며, 두께는 0.2㎚(1㎚은 10억 분의 1m) 즉 100억 분의 2m 정도로 엄청나게 얇으면서 물리적·화학적 안정성도 높다. 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체로 주로 쓰이는 단결정 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있다. 강도는 강철보다 200배 이상 강하며, 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높다. 또 탄성이 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않는다.
기존의 방법과 새로운 방법
화학 기상 증착법(CVD, chemical vapor deposition) 이란 기판 위에 가스 형태의 원료물질을 투입하여, 고온 환경의 화학반응을 통해 기판 위에 원료물질의 박막을 형성하는 공정이다. 그래핀 합성법의 경우 탄소포함가스의 분해방식에 따라 크게 열화학 기상 증착법(Thermal Chemical Vapor Deposition; TCVD)과 플라즈마 화학 기상 증착법으로 구분 된다.
기존에 활용되고 있는 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD) 기반의 그래핀 합성법이 상당시간의 고온 공정을 필요로 하는 것과 달리, 새로운 레이저 열 처리법은 상온환경에서 단시간의 공정으로 그래핀을 합성할 수 있어 향후 그래핀 활용의 폭을 넓힐 수 있을 전망이다.
수백 나노초로 인해 생기는 현상
연구진은 단결정 탄화규소 소재 표면에 수백 나노초(ns, 10억분의 1초) 수준의 극히 짧은 시간 동안 레이저를 쪼여 표면을 순간적으로 녹였다가 다시 응고시켰다. 그러자 탄화규소 표면이 두께 2.5나노미터의 탄소(C) 초박막 층과 그 아래 두께 5나노미터의 규소(Si, 실리콘)층으로 분리되는 상분리 현상이 나타났다. 상분리 현상(Phase Separation) 이란 하나의 상을 형성하고 있는 물질계가 온도, 압력, 조성 등의 변수의 변화로 두 개의 상으로 갈라지는 현상을 말한다. 여기에 레이저를 다시 쪼이자 안쪽 실리콘 층은 증발하고, 탄소 층은 그래핀이 됨을 확인했다.
특히 탄화규소와 같은 이종원소 화합물과 레이저의 상호작용에 대한 연구는 아주 짧은 시간에 일어나는 복잡한 상전이 현상으로 지금까지 그 규명이 쉽지 않았다. 그러나 연구진은 레이저에 의해 순간적으로 유도된 탄소·실리콘 초박막 층을 고해상도 전자현미경으로 촬영, 실리콘과 같은 반도체 물질이 고체 상태일 때와 액체 상태일 때 보이는 광학 반사율이 다르다는 점에 착안해 탄화규소의 고체 상분리 현상을 성공적으로 규명해낼 수 있었다.
연구에 활용된 레이저 열처리기술은 AMOLED(능동형 유기발광다이오드) 등 상용 디스플레이 생산공정에 널리 활용되고 있는 방법으로, CVD 공정과 달리 레이저로 소재 표면만 순간적으로 가열하기 때문에 열에 약한 플라스틱 기판 등에도 활용이 가능하다. 또한 기판 위 원하는 곳에만 선택적으로 그래핀을 합성할 수 있어, 향후 플렉시블 전자 분야 등으로 응용의 폭을 넓힐 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구를 주도한 IBS 이건재 연구위원은 “이번 연구 결과로 향후 레이저 기술이 그래핀과 같은 2차원 나노소재에 보다 폭넓게 응용될 수 있을 것이다.”라고 연구의 의의를 설명했다. KAIST 최성율 교수는 “앞으로 다양한 고체 화합물과 레이저의 상호작용을 규명해 이들의 상분리 현상을 활용하면 새로운 나노소재 개발을 기대할 수 있을 것이다.”라고 전망했다.
본 연구결과는 자연과학 및 응용과학 분야의 세계적 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다.
자료제공 | 기초과학연구원(www.ibs.re.kr)
