꿈의 신소재 그래핀을 저온에서 초고속으로 만드는 기술이 개발돼 화제다.
한국연구재단은 연세대 금현성 교수, 경북대 이태훈·박홍식 교수, 세종대 김성규 교수가 공동연구로 기존 1500℃ 이상 초고온 공정이 필수였던 그래핀 제조를 500℃ 이하 저온에서 수 초 만에 구현하는 기술을 개발했다고 1일 밝혔다.
공동연구팀은 이를 바탕으로 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 등 차세대 반도체 박막 제조를 실증했다.
이번 성과는 차세대 전력반도체, 무선주파수(RF) 소자, 마이크로 LED 산업 등의 비용 절감과 생산성 향상에 직접적인 변화를 가져올 것으로 기대된다.
그래핀은 한 층 두께의 탄소가 벌집구조로 배열된 세상에서 가장 얇고 강하면서도 전기가 잘 흐르는 미래 신소재로 꼽힌다.
지금까지 그래핀 제조는 실리콘카바이드(SiC) 기판을 1500℃에서 가열해 만들어 표면이 거칠고 기판 재사용이 거의 불가능해 양산이 어려웠다.
공동연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 니켈을 금속 촉매로 사용했다.
실험결과 니켈은 SiC에서 탄소가 흩어지지 않고 계면에 모여 그래핀 형태로 안정화되는 조건을 만들었다.
반면 기존에 시도됐던 철이나 루테늄 촉매는 탄소를 금속 내부로 끌어들이거나 비정질 구조를 유도해 고품질 그래핀을 만들지 못했었다.
연구팀은 니켈 두께와 온도를 정밀 조절해 320℃에서는 단층~2층 그래핀을, 500℃에서는 다층 그래핀을 수 초 내에 형성하는 데 성공했다.
이 같은 저온 공정은 SiC 표면에 원자 단위의 매끈한 테라스 구조를 유지했다.
이는 기존 초고온 공정에서 발생하던 '표면 계단 뭉침' 현상을 완전히 극복하고, 이후 성장하는 반도체 박막의 품질을 결정하는 핵심 요소다.
연구팀은 기판에 질화갈륨, 질화알루미늄 박막을 원격 에피택시와 반데르발스 에피택시 방식으로 성장시켜 고결정성을 실증했다.
성장한 박막은 그래핀 계면을 따라 스티커처럼 깨끗하게 떼어낼 수 있어 SiC 기판을 반복 재사용할 수 있다.
이번 연구성과는 SiC 기판 재사용을 가능케 해 산업 확장성이 높고, 저온 2D 에피택시 기반 이종소재 집적기술을 실현함으로써 고성능 반도체·광전자 소자 개발 범위를 획기적으로 넓힐 전망이다.
아울러 니켈 기반 저온 그래핀화 원리를 규명해 향후 2D 소재 합성과 차세대 반도체 공정 연구의 중요한 이론적 기반을 제공할 것으로 기대된다.
특히 레고 블록처럼 다양한 고성능 소재를 층층이 쌓고 떼어내는 미래 기술로 발전시켜 산화물, III-V족 반도체 등 더 많은 재료로 확장이 가능하다.
금 교수는 “그래핀 제조 온도를 기존의 3분의 1 이하로 낮추고 SiC 기판 재사용 문제까지 해결해 기판 손상과 제조비 한계를 동시에 해결한 성과”라며 “차세대 전력·광전자 산업의 기반을 근본적으로 바꿀 기술이 될 것”이라고 설명했다.
한편, 이번 연구성과는 지난달 21일 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 게재됐다.
(논문명: A universal 2D-on-SiC platform for heterogeneous integration of epitaxial III-N membranes, DOI: 10.1126/sciadv.adz3605 / 교신저자 : 금현성 연세대 교수, 이태훈·박홍식 경북대 교수, 김성규 세종대 교수, 공동 제1저자 김세훈·이한주·김동관·김동한·김석기 연구원)
