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불소로 그래핀 3배 더 빠르게 만든다
담여한  2019-07-16 12:01:38, 조회 : 1, 추천 : 0
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        [머니투데이 류준영 기자] [분당 12㎜ 씩 초고속 성장…그래핀 성장속도 최고기록 갱신  ]<br><br><span class="end_photo_org"><em class="img_desc">연구진이 개발한 초고속 성장기술의 모식도<br><br>연구진은 2차원 그래핀 성장에 불소를 국소적으로 주입하는 방식의 초고속 대면적 성장기법을 개발했다. 금속불화불과 구리 박막 사이 좁은 틈에 갇힌 불소(F)는 메탄가스(CH4)를 더 쉽게 분해되는 형태의 기체로 변환시키고, 이 때문에 그래핀은 원료인 탄소를 쉽게 얻어 더 빠르게 성장할 수 있다/자료=IBS</em></span>기초과학연구원(IBS)이 주도하는 국제공동연구진이 그래핀을 기존보다 빠르게 성장시키는 방법을 개발했다. <br><br>IBS 다차원탄소재료연구단 펑딩(Feng Ding) 그룹리더(UNIST 특훈교수)팀은 중국 연구진과의 공동연구를 통해 불소(F)를 주입해 기존보다 3배 빠른 속도로 그래핀을 성장시키는 데 성공했다고 16일 밝혔다. 이는 지금까지 학계에 보고된 최고 속도다.<br><br>원자 두께의 2차원 소재는 얇고 잘 휘면서도 단단한 특성을 지녀 차세대 반도체 소재로 각광받고 있다. 하지만 상용화가 가능할 정도로 크게 만드는 것이 난제다. 대면적 제작에 성공한 물질 자체가 드문데다 대면적화에 성공하더라도 긴 제조시간으로 인해 사실상 상용화가 어려웠다.<br><span class="end_photo_org"><em class="img_desc">시간에 따른 그래핀의 크기 변화<br><br>시간에 따른 그래핀 크기의 성장을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 이미지. 성장 2초 뒤(a)에 비해 5초 뒤의 크기가 확연히 커졌음을 확인할 수 있다. 그래핀은 초당 200㎛ 이상의 속도로 빠르게 성장한다/자료=IBS</em></span><br>물성이 우수한 2차원 소재를 활용하기 위해서는 제조시간 단축이 급선무인 것. 지금까지는 원료물질을 바꾸거나 온도를 조절하는 등 제조환경 자체를 바꾸는 방법이 시도됐다. 하지만 이 방식으로는 그래핀의 성장을 완전히 제어할 수 없어 근본적인 해결책이 필요했다. <br><br>공동연구진은 그 해결책으로 ‘불소’에 주목했다. 전기음성도가 높아 반응성이 좋은 불소를 합성 과정에 적용하면 2차원 소재의 빠른 합성에 유리할 것으로 예상했다. 전기음성도는 원자나 분자가 화학 결합을 할 때 다른 전자를 끌어들이는 능력을 말한다. <br><br>하지만 불소기체를 곧바로 주입할 경우 반응성이 큰 불소가 다른 물질과 결합해 독성물질을 생성할 위험이 있다. 이 때문에 연구진은 공간적으로 제한된 부분에서만 국소적으로 불소를 활용하는 방법을 고안했다. <br><br>연구진은 우선 대표적인 2차원 도체물질인 그래핀 성장에 불소를 적용했다. 일반적으로 그래핀 성장에는 화학기상증착(CVD)법이 쓰인다. 이는 금속기판 표면에 메탄가스(CH4)를 주입, 메탄 속 탄소(C) 원자가 금속기판에 흡착하는 식으로 그래핀을 형성하는 방식이다.<br><br>연구진은 금속기판으로 불소를 함유한 금속불화물(MF2)을 사용하고, 이 위에 얇은 구리(Cu) 필름을 올린 형태의 기판을 제작했다. 그리고 온도를 높여 불소가 금속불화물로부터 방출되게 했다. <br><br>불소는 금속불화물과 구리 필름 사이 10~20㎛(마이크로미터‧1㎛는 100만 분의 1m)의 매우 좁은 공간에서만 머물게 된다. 불소가 다른 물질과 반응하지 않도록 일종의 장벽을 세워 가둔 것. 이 틈 속에서 불소로 인해 메탄가스는 더 분해가 쉬운 형태의 기체(CH3F, CH2F2)로 바뀌고, 최종적으로 그래핀은 더 손쉽게 원료인 탄소를 얻어 더 빠르게 성장할 수 있다.<br><br>공동 제1저자인 루 치우(Li Qui) IBS 다차원 탄소재료 연구단 연구원(UNIST 박사과정생)은 “메탄분자와 불소가 반응해 생긴 기체들은 더 쉽게 분해되고, 이로 인해 탄소 공급이 가속화돼 더 빠르게 그래핀을 성장시킬 수 있는 것”이라고 설명했다.<br><br>새로 개발된 기술은 그래핀을 분당 12㎜의 속도로 빠르게 성장시켰다. 이는 지금까지 보고된 그래핀 성장 최고 속도였던 분당 3.6㎜ 보다 3배 이상 빠른 속도다. 가령 기존에 면적 10㎠ 그래핀 제조에 10분이 소요됐다면, 개발된 기술로는 이 시간을 3분 정도로 단축할 수 있는 셈이다.<br><br><span class="end_photo_org"><em class="img_desc">[사진1] 펑딩 IBS 다차원 탄소재료 연구단 그룹리더(UNIST 특훈교수)/사진=IBS</em></span>연구진은 이 기술을 대표적인 2차원 부도체 물질인 육방정계 질화붕소(h-BN)와 반도체 물질인 텅스텐이황화물(WS2) 성장에도 적용했다. 그 결과, 그래핀과 마찬가지로 주입된 불소가 성장속도를 크게 단축함을 확인했다. 불소가 다양한 2차원 소재들의 성장속도를 가속하는 상용화의 열쇠임을 증명한 것이다.<br><br>펑딩 그룹리더는 “2차원 물질의 성장과정에서 불소를 국소적으로 주입하는 간단한 방식으로 상용화의 걸림돌이 되던 성장속도 문제를 해결했다”며 “불소와 같은 반응성이 좋은 물질들로 다양한 2차원 물질을 더 향상된 속도로 합성할 수 있을 것”이라고 말했다.<br><br>이번 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 케미스트리’에 게재됐다.<br><br><!--article_split-->류준영 기자 joon@<br><br>▶이코노미스트들의 투자칼럼<br>▶조 변호사의 가정상담소  ▶더 많은 기사 보러가기   <br><br><저작권자 ⓒ '돈이 보이는 리얼타임 뉴스' 머니투데이, 무단전재 및 재배포 금지>

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바른생활 NZEO
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2019-08-21
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