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국내 연구진이 '꿈의 신소재'로 불리는 그래핀(graphene)을 실리콘 웨이퍼 크기의 큰 면적으로 확대할 수 있는 합성방법을 세계 최초로 개발했다. 이번 개발로 그래핀 실용화의 난제를 해결, 그래핀 실용화 및 응용범위 확대에 획기적인 계기가 될 것으로 전망된다.
삼성전자종합기술원 나노일렉트로닉스랩팀 황성우 전무와 성균관대 신소재공학부 황동목 교수 연구팀은 그래핀을 웨이퍼 크기의 대면적 단결정으로 키울 수 있는 획기적인 방법을 개발, 이 내용이 세계 최고 권위의 과학저널인 '사이언스'지에 게재될 예정이라고 3일 밝혔다. 특히 이번 연구결과는 중요성을 높이 인정받아 '사이언스 온라인 속보'에 4일자로 소개됐다.
탄소 화합물인 그래핀은 매우 얇으면서도 물리적·화화적 안정성이 뛰어나고 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하는데다 휘고 접을 수 있는 특성이 있어 기존 탄소나노튜브를 뛰어넘는 차세대 신소재로 각광 받고 있다. 하지만 작은 그래핀을 합성해 큰 면적으로 키우는 다결정 합성법은 그래핀의 전도도나 기계적 강도를 떨어뜨릴 수 있어 응용하는데 한계가 있었다.
삼성종기원과 성균관대 연구팀은 이번에 단결정 그래핀 합성에 일반적으로 사용되는 금속촉매 대신 실리콘 웨이퍼 표면에 입힌 게르마늄을 이용, 이 같은 한계를 해결할 수 있는 기술을 개발하는데 성공했다. 원자들이 한쪽 방향으로 가지런히 정렬된 게르마늄의 구조를 이용하면 그 위에 성장시키는 그래핀 씨앗들 역시 일정한 방향으로 연결돼 넓은 면적의 단결정 그래핀 합성이 가능하다는 게 연구진의 설명이다. 특히 이렇게 합성된 단결정 그래핀은 같은 조건에서 만들어진 다결정 그래핀에 비해 이동도 등 전기적인 특성이 월등히 높게 나타났다는 것이다.
게르마늄은 그래핀과 지나치게 강하게 결합하지 않아 실리콘 웨이퍼로부터 분리가 쉽다는 것도 장점으로 꼽힌다. 그래핀을 분리한 후 게르마늄 웨이퍼를 다시 그래핀 합성에 사용할 수 있어 친환경적이고 경제적이기도 하다.
황 전무는 "이번 단결정 대면적 제작기술 개발로 앞으로 반도체나 디스플레이 분야에서 그래핀 소자의 활용 가능성이 한층 넓어질 것으로 기대하고 있다"며 "앞으로 후속연구를 통해 단결정 그래핀의 크기를 더욱 키워 상용화할 계획"이라고 말했다.
