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레이저 이용, 단시간 공정으로 그래핀 합성 기술 개발

IBS·KAIST 연구진 "그래핀 생성원리를 밝힌 것"

(대전ㆍ충남=뉴스1) 김태진 기자 | 2016-12-01 12:00 송고
단결정 탄화규소의 용융을 통한 상분리 현상의 원리를 밝혀내는 분자동역학 시뮬레이션의 모식도© News1

국내 연구진이 레이저를 이용해 상온환경에서 단시간의 공정으로 그래핀을 합성할 수 있는 기술을 개발했다.

기초과학연구원(IBS)은 다차원 탄소재료 연구단(단장 로드니 루오프)의 이건재 연구위원(KAIST 신소재공학과 교수) 연구진과 한국과학기술원(KAIST) 전기 및 전자공학부 최성율 교수팀이 공동 연구를 통해 이 같은 공정으로 그래핀을 단결정 탄화규소(SiC) 기판 위 원하는 곳에 손쉽게 합성하는 기술을 개발했다고 1일 밝혔다.

초단시간의 레이저 조사(照射)를 통한 단결정 탄화규소의 고체 상분리 현상을 발견하고, 이를 활용한 그래핀 생성원리를 밝힌 것.

연구진은 단결정 탄화규소 소재 표면에 수백ns(나노초, 10억분의 1초) 수준의 극히 짧은 시간 동안 레이저를 쪼여 표면을 순간적으로 녹였다가 다시 응고시켰다.

그러자 탄화규소 표면이 두께 2.5nm(나노미터)의 탄소(C) 초박막층과 그 아래 두께 5nm의 규소(Si)층으로 분리되는 상분리 현상이 나타났다.

여기에 레이저를 다시 쪼이자 안쪽 실리콘층은 증발하고, 탄소층은 그래핀이 됨을 확인했다.

특히 탄화규소와 같은 이종원소 화합물과 레이저의 상호작용에 대한 연구는 아주 짧은 시간에 일어나는 복잡한 상전이 현상으로 현재까지 그 규명이 쉽지 않았다.

그러나 연구진은 실리콘과 같은 반도체 물질이 고체 상태일 때와 액체 상태일 때 보이는 광학 반사율이 다르다는 점에 착안해 탄화규소의 고체 상분리 현상을 성공적으로 규명했다.

이번 연구에 활용된 레이저 열처리기술은 능동형 유기발광다이오드(AMOLED) 등 상용 디스플레이 생산 공정에 널리 활용되고 있는 방법으로, 화학기상증착법(CVD) 공정과 달리 레이저로 소재 표면만 순간적으로 가열하기 때문에 열에 약한 플라스틱 기판 등에도 활용이 가능하다.

또 기판 위 원하는 곳에만 선택적으로 그래핀을 합성할 수 있어 향후 플렉시블 전자 분야 등으로 응용의 폭을 넓힐 수 있을 것으로 기대된다.

이 연구위원은 "향후 레이저 기술이 그래핀과 같은 2차원 나노소재에 보다 폭넓게 응용될 수 있을 것”이라고 말했다.

최 교수는 "향후 다양한 고체 화합물과 레이저의 상호작용을 규명, 이들의 상분리 현상을 활용하면 새로운 나노소재 개발을 기대할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구 결과는 자연과학 및 응용과학 분야의 세계적 학술지인 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 최신호에 게재됐다.


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