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기초과학연구원(IBS) 이영희 나노구조물리연구단장 연구팀은 4층짜리 ‘다층(多層) 그래핀’을 넓고 고르게 합성하는 방법을 세계 최초로 개발함.

그래핀은 탄소 원자가 육각형으로 평평하게 배열된 2차원 물질임. 전기가 잘 통하고 투명·유연해 반도체 소재로 쓰이고 있음. 한층짜리 구조인 그래핀을 여러 층으로 쌓은 다층 그래핀을 활용하면 반도체 회로를 더 작게 만들 수 있음.

그래핀을 만들기 위해 ‘화상기상증착법(CVD)’이 사용되고 있음. 고온 환경에서 메테인(메탄) 기체를 탄소와 수소로 분해한 후 탄소만 구리 기판에 달라붙게 하는 원리임. 구리 대신 니켈을 기판으로 활용하면 그래핀이 여러 층으로 쌓이지만 층수가 불균일해 성능 구현에 한계가 있음.

연구팀은 섭씨 영상 900도의 고온에서 구리 기판에 실리콘을 증착시켜 구리-실리콘 합금을 만들었음. 구리-실리콘 합금을 기판으로 사용하면 구리만 사용했을 때보다 탄소가 더 고르게 증착된다는 사실을 발견했음. 연구팀은 이를 이용해 4층짜리 다층 그래핀을 가로·세로 수 센티미터 크기로 고르게 만드는 데 성공했음. 메테인의 농도를 조절해 층수도 결정할 수 있음.

연구팀은 "층수에 비례해서 전기저항이 작아지고 그만큼 전기가 잘 통하게 된다"며 "이 특성을 다양한 반도체소자 기술에 응용할 수 있다"고 설명함.

연구팀은 향후 대량 합성 실험을 반복해 품질 안정성을 높이는 연구를 수행할 계획임. 이 단장은 "다층 그래핀을 다양한 전자기기에 적용해 성능 차이를 확인할 것"이라고 말함.

본 연구 성과는 ‘Nature Nanotechnology’ 지에 게재됨.