레이저를 이용해 손쉽게 ‘그래핀 합성’ 기술 개발

▲ 탄화규소 상분리 현상

고체 상분리 현상 이용한 2차원 나노소재 상용화 기대

레이저를 이용해 단결정 탄화규소(SiC) 기판 위에서 손쉽게 그래핀을 합성하는 기술이 개발됐다.

기초과학연구원(IBS)은 다차원 탄소재료 연구단 이건재 연구위원(KAIST 신소재공학과 교수) 연구진과 KAIST(한국과학기술원) 전기및전자공학부 최성율 교수팀이 공동으로 초단시간의 레이저 조사를 통한 단결정 탄화규소(SiC)의 고체 상분리 현상을 발견하고, 이를 활용해 그래핀 생성원리를 규명했다고 1일 밝혔다.

기존 화학기상증착(CVD) 기반의 그래핀 합성법은 오랜기간 동안 고온 공정을 필요로 한다.

그러나 새로운 레이저 열처리법은 상온환경에서 단시간의 공정으로 그래핀을 합성할 수 있다.

앞으로 그래핀 활용의 폭을 넓힐 수 있을 전망이다.

연구진은 단결정 탄화규소 소재 표면에 수백 나노초(nsㆍ10억분의 1초) 수준의 극히 짧은 시간 동안 레이저를 쪼여 표면을 순간적으로 녹였다가 다시 응고시켰다.

그 결과, 탄화규소 표면이 두께 2.5나노미터의 탄소(C) 초박막층과 그 아래 두께 5나노미터의 규소(Si)층으로 분리되는 상분리 현상이 나타나는 것을 확인했다.

연구진은 다시 레이저를 쪼였고, 안쪽 실리콘층은 증발하고 탄소층은 그래핀이 됐다.

연구에 활용된 레이저 열처리기술은 AMOLED(능동형 유기발광다이오드) 등 상용 디스플레이 생산공정에 널리 활용되고 있는 방법이다.

또 레이저로 소재 표면만 순간적으로 가열하기 때문에 열에 약한 플라스틱 기판 등에도 활용할 수 있다.

이건재 연구위원은 “이번 연구 결과로 앞으로 레이저 기술이 그래핀과 같은 2차원 나노소재보다 폭 넓게 응용될 수 있을 것”이라며 “앞으로 다양한 고체 화합물과 레이저의 상호작용을 규명해 이들의 상분리 현상을 활용하면 새로운 나노소재 개발을 기대할 수 있다”고 말했다.

한편, 이번 연구 결과는 자연과학 및 응용과학 분야의 세계적 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다. 최소망 기자 somangchoi@

▲ 실시간 시간 분해능 반사율