▲ (a) 타이타늄(Ti, 10 nm) 위에 저온에서 직접 성장된 그래핀 시뮬레이션 결과 (b) 150 ℃ 저온에서 타이타늄 층위에 직접성장된 그래핀의 라만스펙트럼과 50 × 50 ㎛2 면적의 라만 맵핑 결과

충남대 윤순길 교수 연구팀이 타이타늄을 이용해 그래핀을 가공할 때 필수적이던 전사공정을 생략한 새로운 고품질 대면적 그래핀 합성 기술을 개발했다.

꿈의 나노 물질로 불리는 그래핀은 전기전도도와 열 전도성이 높고 기계적 강도가 강하며, 유연성과 투명성도 우수해 이차전지, 디스플레이 등 다양하게 응용될 것으로 기대되지만 전사공정에서 내부 결함, 그래핀 결정면의 영역(도메인) 크기와 경계면의 제어의 어려움, 기판과의 접착 문제, 그래핀 표면에 발생한 주름으로 인한 특성 저하 등의 문제가 발생한다.

연구팀은 타이타늄으로 그래핀의 주름을 제거하는 연구성과를 활용하여, 10 nm(나노미터) 두께의 타이타늄 층 위에 그래핀을 합성하는 기술을 개발했다.

특히 이번 기술은 150℃의 낮은 온도에서 고품질의 그래핀을 넓은 면적으로 합성할 수 있어 공정의 효율성과 응용 가능성을 크게 개선했다.

이 신 개념의 그래핀 원천기술 개발을 통해 기존 그래핀 소재의 단점을 보완한 새로운 개념의 무결점, 대 면적(4 인치 Si-wafer scale) 그래핀 직접성장, 재현성 및 대량 생산이 구현될 뿐만 아니라 기존 Au, Cu 등의 금속 전극을 대체하여 소재 대비 가격 경쟁력과 신뢰성을 만족 할 수 있는 기술이 정립될 것으로 보인다..

또 직접 성장된 그래핀의 우수한 특성을 이용해 FET, 디스플레이 투명전도막, 커패시터 등 다양한 정보 전자소자에 적용이 가능하고, 전사공정에서 발생되는 다양한 단점을 보완하고 생산 단가를 낮출 수 있다.

윤순길 교수는 “이 연구는 기존 그래핀 소재의 단점을 보완한 새로운 개념의 무결점, 대면적 그래핀을 직접적으로 성장시키는 제조기술을 개발한 것”이라며, “그래핀이 투명하고 유연한 전자소자에 응용될 뿐만 아니라 기존의 금, 구리 등 금속 전극을 대체할 수 있도록 기여할 것”이라고 설명했다.

이 연구 결과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구자) 지원으로 수행되었으며, 나노분야의 권위 있는 국제학술지 ACS 나노(ACS Nano) 2월 1일자에 게재되었다. (논문명: Defect-Free Graphene Synthesized Directly at 150 °C via Chemical Vapor Deposition with No Transfer)