1500℃ 화덕 대신 500℃ 저온서 '뚝딱'… 그래핀 제조 기술 혁신

반도체 공정에서 필수적이었던 1500℃ 이상의 고온 열처리 과정 없이, 단 500℃ 이하의 저온에서도 고품질 그래핀을 빠르게 만들어내는 기술이 개발됐다. 고가의 실리콘카바이드(SiC) 기판을 재사용할 수 있어 차세대 전력반도체와 마이크로 LED 등의 제조 비용을 획기적으로 낮출 수 있을 것으로 기대된다.

한국연구재단은 연세대 금현성 교수, 경북대 이태훈·박홍식 교수, 세종대 김성규 교수 공동 연구팀이 SiC 기판 위에 고품질 그래핀을 초저온·초고속으로 제조하는 기술을 개발하고, 이를 통해 질화갈륨(GaN)과 질화알루미늄(AlN) 등 차세대 반도체 박막 제조를 실증했다고 10일 밝혔다.

기존에는 질화물 반도체 박막을 얻기 위해 SiC 기판을 1500℃ 이상의 고온에서 가열해 표면을 '그래핀화'하는 공정이 필요했다. 그러나 초고온 공정은 기판 표면을 거칠게 만들고 그래핀 두께를 불균일하게 해, 고가의 기판을 재사용하기 어렵게 만드는 한계가 있었다.


연구팀은 니켈(Ni)을 촉매로 사용해 이 문제를 해결했다. 탄소가 그래핀으로 재배열될 때 니켈이 에너지를 안정화시키는 조건을 제공한다는 사실을 발견하고, 이를 이용해 500℃ 이하의 낮은 온도에서도 기판 손상 없이 단결정에 가까운 고품질 그래핀을 형성하는 데 성공했다.

실험 결과, 니켈의 두께와 온도를 조절해 320℃에서는 단층~2층 그래핀을, 500℃에서는 다층 그래핀을 단 몇 초 만에 만들어냈다. 저온 공정 덕분에 SiC 기판 표면은 원자 단위로 매끈한 상태를 유지했으며, 최종 생성된 반도체 박막은 기존 고온 공정 대비 월등히 높은 결정성을 보였다.

이번 기술은 특히 '2D 기반 에피택시' 방식을 가능하게 했다는 점에서 의미가 크다. 연구팀은 저온 공정으로 제작된 반도체 박막을 마치 스티커를 떼어내듯 기판에서 깨끗하게 분리하는 데 성공했다. 이는 고가의 SiC 기판을 반복해서 재사용할 수 있음을 입증한 것으로, 향후 반도체 제조 비용 절감에 크게 기여할 전망이다.

금현성 교수는 "그래핀 제조 기술을 저온으로 구현해 기판 재사용 문제와 제조비 절감의 해법을 제시했다"며 "향후 저온 기반 2D 재료 합성 및 이종 에피택시 연구의 중요한 이론적 근거가 될 것"이라고 밝혔다.

이번 연구 성과는 국제학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 지난 11월 21일 게재됐다.