국내 연구진, 반도체웨이퍼 크기 그래핀 합성기술 세계최초 개발

[이데일리 이승현 기자] 국내 연구진이 ‘꿈의 소재’로 불리는 그래핀을 반도체 웨이퍼 크기만한 넒은 면적의 단결정(單結晶)으로 만들 수 있는 대량 합성방법을 세계 최초로 개발했다. 그래핀 실용화를 획기적으로 앞당길 수 있는 전기를 마련했다는 평가를 받는다.

황성우 삼성전자 전무

3일 미래창조과학부에 따르면 황성우 삼성전자(005930) 종합기술원 나노일렉트로닉스랩팀 전무와 황동목 성균관대 신소재공학부 교수 연구팀은 기존 금속촉매 위의 그래핀 합성과 비슷한 장비와 조건을 이용해 반도체 웨이퍼 위에 단결정 그래핀을 합성하는 기술을 개발했다. 이 연구결과는 세계적인 과학저널 ‘사이언스’의 온라인 속보(Science Express)에 4일자로 실렸다.

그래핀은 탄소로 이뤄진 단일 원자층 물질로 전자이동도는 물론 기계적 강도와 신축성 등이 뛰어나 차세대 전자소자로 주목받는다.

작은 그래핀을 합성해 큰 면적으로 키우는 기존의 다결정 합성법은 그래핀의 전도도나 기계적 강도를 저해하고 균일성에도 문제가 있는 등 실용화에 한계를 보여왔다. 연구팀은 이에 단결정의 반도체 물질인 실리콘 웨이퍼 표면에 입힌 게르마늄을 이용한 합성방식의 적용을 시도했다.

원자들이 한쪽 방향으로 정렬된 게르마늄의 구조를 이용하면 그 위에 성장시키는 그래핀 씨앗들도 일정한 방향으로 연결돼 넓은 면적의 단결정 그래핀을 합성할 수 있다. 이렇게 합성된 단결정 그래핀은 같은 조건에서 만들어진 다결정 그래핀에 비해 전도도 등 전기적 특성이 월등히 높게 나타났다.

또한 게르마늄은 그래핀과 너무 강하게 결합하지 않기 때문에 실리콘 웨이퍼로부터 분리가 쉽다는 점도 장점이다. 그래핀을 분리한 게르마늄 웨이퍼를 다시 그래핀 합성에 사용할 수 있어 친환경적이고 경제적이기 때문이다.

황 전무는 “단결정 그래핀 합성법은 그래핀의 전자소자 응용을 앞당길 수 있는 중요한 기술이 될 것”이라며 “앞으로 후속연구를 통해 단결정 그래핀의 크기를 더욱 크게 하여 상용화할 것”이라고 말했다.

이번 연구결과는 미래부와 한국연구재단의 지원을 받아 지난 2006년부터 나노분야 중심으로 시작된 삼성전자-성균관대간의 공동협력 프로그램의 하나이다.

게르마늄이 입혀진 실리콘 웨이퍼 표면에서의 단결정 그래핀 반복제조 방법. 미래창조과학부 제공