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꿈의 신소재 ‘그래핀’ 활용 반도체 제조공정 단축된다

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韓·中베이징대 연구팀, 컴퓨터 시뮬레이션으로 그래핀 합성 단계 규명

그래핀을 절연체 전자재료 위에서 바로 합성해 사용 가능

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펑딩 IBS 다차원탄소재료연구단 그룹리더가 그래핀 구조체를 들어 보이고 있다. [IBS 제공]

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[헤럴드경제=구본혁 기자] 차세대 반도체나 디스플레이 소재로 주목받는 ‘그래핀’을 상용화하려면 금속 기판 위에서 그래핀을 합성한 뒤 기판에서 분리해내는 공정이 필요하다. 이때 그래핀이 손상되기 쉬울뿐더러 분리 공정 자체도 까다롭다. 전자소자 재료 위에서 바로 그래핀을 합성해 쓰면 되지만 합성 시간이 오래 걸린다는 문제가 있다. 한국과 중국 공동 연구진이 이 문제를 해결할 단서를 발견했다.

기초과학연구원(IBS) 다차원탄소재료연구단 펑딩 그룹리더(울산과학기술원 신소재공학과 교수)팀은 중국 베이징대와 함께 그래핀의 합성 속도가 금속 기판보다 1만배 이상 느려지는 원인을 규명했다고 21일 밝혔다. 첨단 컴퓨터 시뮬레이션 연구를 통해 그래핀을 활용한 반도체 공정 개선의 실마리를 마련했다는 평가다.

그래핀은 탄소(C) 원자 6개로 된 육각형 고리가 이어 붙은 ‘평면구조 물질(2차원 물질)’이다. 고품질의 그래핀 합성에는 주로 화학기상증착법(CVD)을 쓴다. 구리 같은 금속 기판 위에 메탄 등 원료 기체를 주입하면 탄소 원자가 기판에 하나둘씩 흡착하며 성장하게 된다. 이때 사용되는 기판에 따라 그래핀 성장 속도와 차이가 있지만 아직 그 메커니즘이 명확히 밝혀지지는 않았다.

연구진의 시뮬레이션에 따르면 절연체 기판을 쓸 때는 원료(전구체)가 그래핀 가장자리(edge)에 바로 달라붙는 방식으로 성장한다. 이럴 때 수소가 같이 붙게 되는데 수소 제거에 많은 에너지가 소모돼 절연체 위에서 그래핀 성장이 느리다. 반면 금속 기판을 쓰면 원료가 기판을 타고 빠르게 이동할 수 있어 그래핀 성장이 빠르다.

더 나아가 연구진은 그래핀 합성 속도를 앞당길 수 있는 원리도 밝혔다. 원료 물질 내 CH3(메틸 래디컬)의 함량에 따라 합성 속도가 달라진다는 것이다. CH3은 그래핀에 탄소를 공급할 뿐만 아니라 그래핀 가장자리의 수소를 제거하는 역할을 한다. 즉 합성 과정에서 수소 제거에 추가적인 에너지를 덜 사용해도 되기에 시간을 단축할 수 있다. 가령 메탄가스가 분해돼 생기는 증기 상태 원료를 이용하면 CH3 비율이 낮아 그래핀이 느리게 성장하지만 CVD 공정에서 사용되는 메탄가스는 CH3 비율이 높아 상대적으로 빠른 성장이 가능하다.

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절연체 기판과 금속 기판에서 그래핀 합성 과정 차이. 절연체 기판(왼쪽) 위에서는 증기 상태 원료가 바로 그래핀 가장자리에 붙으며 그래핀이 성장한다. 반면 금속 기판(오른쪽) 위에서는 원료가 기판을 통해 빠르게 확산한 뒤 그래핀 가장자리에 붙는 방식으로 성장하기에 성장 속도가 빠르다. [IBS 제공]

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펑딩 그룹리더는 “에너지 소모가 가장 많은 단계를 활성화시키면 절연체 기판 위에서도 곧바로 그래핀을 성장시킬 수 있게 될 것”이라며 “그래핀을 활용한 반도체 제조 공정을 간소화할 수 있는 단서를 찾았다는 데 큰 의미가 있다”고 말했다.

연구 결과는 나노과학 분야 국제 학술지인 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano‧IF 14.588)’ 3월 22일자에 실렸다.

한편 그래핀은 강철보다 강하면서도 유연하고 투명하다. 전기전도성 또한 전선 소재로 쓰는 구리보다 100배 이상 좋다. 이 때문에 반도체 소자 집적 한계를 돌파할 새로운 반도체 재료나 종이처럼 얇고 유연한 디스플레이를 구현할 수 있는 소재로 꼽힌다.

nbgkoo@heraldcorp.com

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