반도체 기술은 단위 면적당 전력 수요가 증가함에 따라 증가하는 열처리 문제 때문에 제대로 성능을 구현할 수 없는 한계에 도달했다. 이의 대안으로 실리콘을 대체할 수 있는 2차원 나노 소재 ‘그래핀’에 대한 연구가 지속됐으나 많은 연구들이 메커니즘을 규명하지 못하고 중단됐다.

이런 가운데 국내 연구진이 2차원 소재 성장의 메커니즘을 밝히고 대면적 그래핀을 합성하는데 성공해 기술 개발의 새로운 장을 열었다는 평을 받고 있다.
주인공은 바로 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전소재연구단 송용원 박사 연구팀이다.

연구팀은 나노 소재의 합성 적용이 가능한 2차원 나노 소재의 합성 메커니즘을 수학적으로 유도, 이를 정량적으로 규명했다. 다양한 2차원 나노 소재 성장을 위한 새로운 촉매 및 성장법 연구와 신(新)나노 소재 개발에 실질적으로 활용될 전망이다.



연구진이 개발한 메커니즘은 적용되는 성장 환경, 촉매 기판, 전구체를 함수로 넣어 최종적으로 합성될 2차원 소재의 정량적 형태를 정확히 예측할 수 있다.
연구팀은 “그래핀을 이용해 이를 증명한 연구팀은 새로운 비금속 절연 기판 소재인 γ-Al2O3(감마상의 알루미나) 기판을 그래핀 합성을 위한 촉매인 동시에 기판으로 개발·응용해 그래핀을 금속 촉매 없이 직접 절연 기판 위에 합성하는데 성공하는 성과를 달성했다”고 밝혔다. 

이렇게 γ-Al2O3 기판 상에 합성된 그래핀은 추가적인 금속 촉매 제거 공정 없이 바로 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 Cu(구리)와 Ni(니켈) 촉매를 사용, 합
성된 그래핀보다 우수한 특성들을 가지게 된다.

연구진이 수학적으로 유도한 2차원 나노 소재의 일반적인 형성 메커니즘은 시스템에 주입한 탄소 전구체의 종류, 압력, 촉매 기판의 정보로부터 탄소 전구체가 수소를 잃으면서 촉매 기판 위에 공급되는 탄소 원자량을 바탕으로 한다. 이러한 과정에서 생성된 탄소 원자가 기판 표면으로부터 떨어져 나가는 확률과 표면 확산을 통해 다른 탄소 원자 또는 다량체와 만나 이량체를 형성하거나, 그래핀 핵이 형성되고 성장하는 확률, 그리고 그래핀 그레인으로부터 탈착되는 확률에 대한 비율 평형 방정식(balance rate equation)을 바탕으로 세워졌다.

제1저자인 박재현 박사는 “2차원 나노 소재에 대한 일반적인 합성 메커니즘을  다양한 정량적 활성화 에너지를 바탕으로 도출된 식으로 표현했으며, 이러한 활성화 에너지 값들이 2차원 소재 성장에 어떠한 영향을 미치느냐를 잘 보여주는 실질적인 해석의 틀을 제공했다”며 “새로운 2차원 나노 소재 합성에 있어 고려해야할 매우 중요한 판단의 근거를 제공해 줄 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 KIST의 차세대반도체연구소 융합사업의 지원으로 수행되었으며, Scientific Reports에 “Growth, Quantitative Growth Analysis, and Applications of Graphene on γ-Al2O3 catalysts”라는 제목으로 지난 7월 3일 게재됐다.