불소로 그래핀 3배 더 빨리 만든다
불소로 그래핀 3배 더 빨리 만든다
  • 강지희
  • 승인 2019.07.16 16:55
  • 조회수 1747
  • 댓글 0
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그래핀 구조. 출처: 포토리아<br>
그래핀의 구조. 출처: fotolia

그래핀과 같은 원자 두께의 2차원 소재는 얇고 잘 휘면서도 단단한 특성을 지녀 차세대 반도체 소재로 각광받고 있습니다. 하지만 상용화가 가능할 정도로 그래핀을 크게 만드는 것이 난제인데요. 대면적 제작에 성공한 물질 자체가 드문데다, 대면적화(化)에 성공해도 긴 제조 시간 때문에 사실상 상용화는 어려웠습니다.

 

물성이 우수한 2차원 소재를 활용하기 위해서는 제조 시간을 단축하는 것이 중요합니다. 지금까지는 원료물질을 바꾸거나 온도를 조절하는 등 제조환경 자체를 바꾸는 방법이 시도됐는데요. 하지만 그래핀의 성장을 완전히 제어 할 수 없어 근본적인 해결책이 필요한 상황이었죠.

 

기초과학연구원 연구진이 초고속 그래핀 성장법을 개발했다고 합니다. <Nature Chemistry>에 게재된 논문에 따르면 IBS 다차원 탄소재료 연구단의 펑딩(Feng Ding) 그룹리더 팀은 중국 연구진과의 공동연구를 통해 불소(F)를 주입해 기존보다 3배 빠른 속도로 그래핀을 성장시키는 데 성공했다고 합니다.

 

어떻게 개발했는가

연구진이 개발한 초고속 성장기술의 모식도. 출처: 기초과학연구원
연구진이 개발한 초고속 성장기술의 모식도. 출처: 기초과학연구원

불소는 전기음성도가 높습니다. 그래서 연구진은 반응성이 좋은 불소를 합성 과정에 적용하면 2차원 소재의 빠른 합성에 유리할 것으로 예상했습니다. 하지만 불소기체를 곧바로 주입할 경우 반응성이 큰 불소가 다른 물질과 결합해 독성물질을 생성할 위험이 있죠. 이 때문에 연구진은 공간적으로 제한된 부분에서만 국소적으로 불소를 활용하는 방법을 고안했다고 합니다.

 

우선 연구진은 대표적인 2차원 도체물질인 그래핀 성장에 불소를 적용했습니다. 일반적으로 그래핀 성장에는 화학기상증착(CVD)법이 쓰입니다. 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)은 화학 물질을 플라즈마나 열을 이용해 박막으로 형성시키는 방법입니다. 고온 조건에서 메탄과 같은 탄소를 포함한 기체가 구리 호일과 같은 촉매 금속 기판과 반응해 그래핀을 성장시키는 방식이죠. CVD는 고품질 그래핀을 대면적으로 생산할 수 있는 최적의 방법으로 알려져 있습니다.

국소적 불소 주입을 통한 초고속 그래핀 성장 원리. 출처: 기초과학연구원
국소적 불소 주입을 통한 초고속 그래핀 성장 원리. 출처: 기초과학연구원

연구진은 금속기판으로 불소를 함유한 금속불화물(MF2)을 사용해 이 위에 얇은 구리(Cu) 필름을 올린 형태의 기판을 제작했습니다. 그 다음 온도를 높여 불소가 금속불화물로부터 방출되게 했는데요. 이 과정에서 불소는 금속불화물과 구리 필름 사이의 10~20㎛(마이크로미터‧1㎛는 100만 분의 1m)의 매우 좁은 공간에서만 머물게 됩니다. 불소가 다른 물질과 반응하지 않도록 일종의 장벽을 세워 가둔 것이죠. 이 틈 속에서 메탄가스는 불소 덕분에 더 분해가 쉬운 형태의 기체(CH3F, CH2F2)로 바뀌고 최종적으로 그래핀은 더 손쉽게 원료인 탄소를 얻어 더 빠르게 성장할 수 있습니다.

시간에 따른 그래핀의 크기 변화. 출처: 기초과학연구원
시간에 따른 그래핀의 크기 변화. 출처: 기초과학연구원

새로 개발된 기술은 그래핀을 분당 12㎜의 속도로 빠르게 성장시켰다고 합니다. 이는 지금까지 보고된 그래핀 성장 최고 속도였던 분당 3.6㎜ 보다 3배 이상 빠른 속도입니다. 기존에 면적 10㎠ 그래핀 제조에 10분이 소요됐다면, 개발된 기술로는 이 시간을 3분 정도로 단축할 수 있는 셈이죠.

 

연구진은 이 기술을 대표적인 2차원 부도체 물질인 육방정계 질화붕소(h-BN)와 반도체 물질인 텅스텐이황화물(WS2) 성장에도 적용해봤습니다. 그 결과, 그래핀과 마찬가지로 주입된 불소가 성장속도를 크게 단축했다고 합니다. 

 

앞으로의 전망

펑딩 그룹리더 박사. 출처: 기초과학연구원
펑딩 그룹리더 박사. 출처: 기초과학연구원

펑딩 그룹리더 연구원은 "2차원 물질의 성장과정에서 불소를 국소적으로 주입하는 간단한 방식으로 상용화의 걸림돌이 되던 성장속도 문제를 해결했다"며 "불소와 같은 반응성이 좋은 물질들로 다양한 2차원 물질을 더 향상된 속도로 합성할 수 있을 것"이라며 이 연구의 의의를 밝혔습니다.

 

##참고자료##

 

  • Kinetic modulation of graphene growth by fluorine through spatially confined decomposition of metal fluorides / Nature Chemistry(2019).


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