▲ Ni-Cu 합금 표면에서 신속히 성장하는 웨이퍼 레벨의 그래핀 단결정(좌측)과 동위원소 기술이 합금 기판 상에서 그래핀을 성장시키는 메커니즘에 대한 분석(우측) 결과.

중국과학원 상하이(上海) 마이크로 시스템 및 정보 기술 연구소 산하 ‘정보 기능 재료 국가 중점 실험실’의 셰샤오밍(謝曉明) 연구원 연구팀은 ‘웨이퍼 레벨 그래핀 재료와 디바이스 기초연구’를 통해 그래핀 단핵 제어 핵 형성과 신속한 성장을 실현했으며 ~1.5인치 그래핀 단결정을 개발하는데 성공했다고 밝혔다.

연구팀이 관련 연구개발 성과에 기반하여 작성한 연구 논문은 지난 11월 23일 물리학 및 재료과학 분야의 저명 학술지인 네이처 머트리얼즈(Nature Materials) 온라인 판에 게재됐다(T.R. Wu, et al, Fast growth of inch-sized single-crystalline graphene from a controlled single nucleus on Cu-Ni alloys, DOI: 10.1038/nmat4477 (2015)).

구리 표면 촉매 성장은 현재 그래핀 박막을 개발하는 주요 기술 경로지만 단일 핵 제어를 실현할 수 없기 때문에 박막은 일반적으로 다결정인 동시에 성장 속도는 시간의 추이에 따라 점차 늦어지고 있는 상황이다.

과거 구리 기판 상에서 개발한 최대 그래핀 단결정 사이즈는 약 1cm 수준에 달할 뿐만 아니라 긴 성장 시간도 필요했다.

이에 중국 연구팀은 용존 탄소 능력을 보유하고 있는 Cu85Ni15 합금 국지 구역에 탄소 소스를 제공하고 국지 탄소 농도 과포화를 생성시켜 그래핀 단일 핵심 제어 핵 형성이라는 기술 난제를 해결하는데 성공했다.

연구팀은 이번 연구를 통해 Cu85Ni15 기판 상에서 그래핀의 성장 메커니즘은 등온선 방출로서 구리 기판 상의 표면 촉매와 다른 동시에 Ni 기판의 냉각 방출과도 다른 상황이라는 점을 발견하였다.

합금 기판 내에 용해된 탄소 원자는 표면의 그래핀 반응에 참여하기 때문에 그래핀 단결정이 선형 성장에 가까울 정도로 되게끔 하며 속도는 180미크론/분 수준에 달하는 것으로 나타나고 있다.

이번 연구에 공동으로 참여한 미국 텍사스 주립대학의 위칭카이(于慶凱) 교수 연구팀은 등온선이 그래핀 성장의 새로운 메커니즘을 방출시킨다는 점을 검증하였으며, 홍콩 이공(理工)대학 딩펑(丁峰) 교수와 화둥(華東) 사범대학 대학원 박사과정의 위안칭훙(袁淸紅)은 공동 연구를 실행하고 제1성 원리 계산을 통해 Cu85Ni15 합금 기판 상의 그래핀 고속 성장 원인을 한층 더 해석한 동시에 더욱 높은 Ni 함유량의 합금 기판 상의 그래핀 성장 속도가 감소되는 원인을 분석했다.

단결정은 마이크로 전자 기술 발전의 기반으로 되고 있다. 단결정 그래핀은 전자학 분야에서의 대규모화 응용을 위한 전제 조건으로 되고 있다.

단일 핵 제어를 통해 개발하는 웨이퍼 레벨의 그래핀은 3차원 실리콘 단결정 기술이 2차원 재료 중에서 재현된 것으로 평가받고 있다. 동 기술은 전자학 분야에서의 그래핀 응용을 대폭 추진한다는 의미를 가진다.

연구진은 이번 연구를 통해 발전시킨 핵 형성 제어 기술은 기타 2차원 재료 단결정 웨이퍼 개발을 위해 혁신적인 아이디어를 제시해 줄 것이라 밝혔다.

한편, 현재 중국은 그래핀연구개발 및 상용화 대열의 선두로 중국전국나노기술표준화 기술위원회는 지난 5월 그래핀 전문용어와 정의, 제조방법에 대한 과학적 표준을 제정하고 그래핀 산업발전을 위한 중국 그래핀 국가표준 제정 사업에 착수중이다.