삼성·성균관대, 성능 균일한 '단결정 그래핀' 생산 기술 세계 최초 개발

국내 연구진이 성능이 균일한 단결정 그래핀을 대면적으로 생산할 수 있는 합성법을 세계 최초로 개발했다. 그래핀은 반도체 생산에 사용하는 실리콘에 비해 전자이동도가 100배 이상 높고 강도, 신축성도 뛰어나 차세대 소재로 주목받는 물질이다.

미래창조과학부는 황성우 삼성전자 종합기술원 나노일렉트로닉스랩팀 전무(사진)와 황동목 성균관대 신소재공학부 교수 공동 연구팀이 이 같은 성과를 거뒀다고 3일 발표했다. 이번 연구성과는 세계 최고 과학저널인 사이언스에 실렸다.

탄소 원자 단일층으로 구성된 그래핀은 물리적 성질이 뛰어나지만 생산하기가 까다롭다. 물질 발견 초기에는 투명테이프를 이용해 흑연에서 단일층 그래핀을 분리하는 방법을 사용했다. 최근에는 대량 생산을 위해 구리, 백금과 같은 금속 촉매 역할을 할 수 있는 기판을 사용하고 있다. 하지만 이렇게 만들어진 그래핀은 기판으로 사용된 금속의 성격과 같이 원자 배열이 규칙적이지 않은 다결정 형태였다. 그래핀 고유의 전기전도도와 기계적 강도를 저하시켜 응용에 한계가 있었다.

연구팀은 금속 기판 대신 게르마늄 기판을 이용해 단결정 그래핀을 합성하는 데 성공했다. 한쪽으로만 방향성을 갖는 게르마늄 기판을 사용해 같은 성격의 단결정 그래핀을 만들었다. 이 공정에서는 게르마늄 기판과 그래핀 사이에 수소 원자층이 형성돼 합성한 그래핀을 보다 쉽게 분리할 수 있다. 또 한 번 사용한 게르마늄 웨이퍼를 그래핀 합성에 재사용할 수 있어 친환경적이고 경제적이라는 게 연구팀의 설명이다.

황 전무는 “그래핀의 균일성 문제를 해결하고 성능을 크게 높일 수 있는 새로운 합성법”이라며 “후속 연구를 통해 단결정 그래핀의 크기를 더욱 크게 만들어 상용화에 나설 것”이라고 설명했다.

김태훈 기자 taehun@hankyung.com