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불소 활용해 분당 12㎜ 씩 성장 … 기존 대비 3배 더 빨라[아이뉴스24 최상국 기자] 그래핀 성장속도를 기존보다 3배 더 빠르게 할 수 있는 방법이 개발됐다.

기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 펑딩(Feng Ding) 그룹리더(UNIST 특훈교수) 연구팀은 그래핀 성장 과정에 불소를 활용해 기존보다 3배 빠른 분당 12㎜의 성장 속도를 달성했다고 발표했다.

시간에 따른 그래핀의 크기 변화를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 이미지. 성장 2초 뒤(a)에 비해 5초 뒤의 크기가 확연히 커졌음을 확인할 수 있다. 그래핀은 초당 200㎛ 이상의 속도로 빠르게 성장한다.[IBS]

연구팀은 그래핀 성장을 위해 일반적으로 사용되는 화학기상증착(CVD)법에 반응성이 좋은 불소를 활용해 성장 속도를 높이는 방법을 개발했다. 화학기상증착법은 금속기판 표면에 메탄가스(CH4)를 주입해 메탄 속의 탄소 원자가 금속기판에 흡착하게 만들어 그래핀을 형성하는 방식이다.

연구팀은 우선 불소를 함유한 금속불화물(MF2)을 금속기판으로 사용하고, 이 위에 얇은 구리 필름을 올린 형태의 기판을 제작했다. 그리고 온도를 높여 불소가 금속불화물로부터 방출되게 했다. 이 때 기판에서 방출된 불소는 금속불화물과 구리 필름 사이 10~20㎛의 매우 좁은 공간에 머물게 된다. 여기에 메탄가스를 주입하면 불소로 인해 메탄가스는 분해가 더 쉬운 형태의 기체로 바뀌며 최종적으로 탄소 원자가 기판에 흡착, 성장하는 속도도 더 빨라졌다.

기존의 공정에 불소 기체를 곧바로 주입하면 반응성이 큰 불소가 다른 물질과 결합해 독성물질을 생성할 위험이 있기 때문에, 불소가 다른 물질과 반응하지 않도록 일종의 장벽을 세워 가두는 방법을 고안한 것이다.

연구진이 개발한 초고속 성장기술의 모식도. 2차원 그래핀 성장에 불소를 국소적으로 주입하는 방식의 초고속 대면적 성장기법을 개발했다. 금속불화물과 구리 박막 사이 좁은 틈에 갇힌 불소(F)는 메탄가스(CH4)를 더 쉽게 분해되는 형태의 기체로 변환시키고, 이 때문에 그래핀은 원료인 탄소를 쉽게 얻어 더 빠르게 성장할 수 있다. [IBS]

이번 연구의 공동 제1저자인 루 치우 연구원(UNIST 박사과정생)은 “메탄분자와 불소가 반응해 생긴 기체들은 매우 분극화 돼 있어 더 쉽게 분해되고, 이로 인해 탄소 공급이 가속화돼 더 빠르게 그래핀을 성장시킬 수 있는 것”이라고 설명했다.

새로 개발된 기술은 그래핀을 분당 12㎜의 속도로 빠르게 성장시켰다. 이는 지금까지 보고된 그래핀 성장 최고속도였던 분당 3.6㎜ 보다 3배 이상 빠른 속도다. 기존에 10㎠ 그래핀 제조에 10분이 소요됐다면 개발된 기술로는 3분 정도로 단축할 수 있는 셈이다.

연구진은 이 기술을 그래핀 외에 또다른 2차원 소재인 육방정계 질화붕소(h-BN, 일명 화이트그래핀)와 반도체 물질인 텅스텐이황화물(WS2) 성장에도 적용해 본 결과, 그래핀과 마찬가지로 불소가 성장속도를 크게 단축함을 확인했다. 불소가 다양한 2차원 소재들의 성장속도를 높이는 열쇠임을 증명한 것이다.

펑딩 그룹리더는 “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”이라고 말했다.

이번 연구결과는 16일 국제 학술지인 네이처 케미스트리에 게재됐다.(논문명 : Kinetic modulation of graphene growth by fluorine through spatially confined decomposition of metal fluorides)

최상국기자 skchoi@inews24.com

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