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제 1 장 연구 개발 과제의 개요
제1절 연구의 개요
그래핀은 이차원 평면에 탄소 원자들이 육각형 벌집모양 구조를 이룬 물질로써 흑연, 탄소나노튜브 등을 구성하는 기본 구조이기도 하다. 그래핀의 전자구조는 최외각 전자 4개 중 다른 탄소 원자와 공유결합(sp2)을 하지 않는 여분의 최외각 전자 한 개의 파동함수가 평면에 수직인 형태로 존재하게 되어 형성된다. 이 때, 브리루앙 영역의 모서리(디랙점) K와 K‘ 부근에서 전자의 결정운동량과 에너지는 서로 비례하는 분산관계를 가진다 [1,2]. 이러한 전자구조에 의해 얻어진

제 1 장 연구 개발 과제의 개요
제1절 연구의 개요
그래핀은 이차원 평면에 탄소 원자들이 육각형 벌집모양 구조를 이룬 물질로써 흑연, 탄소나노튜브 등을 구성하는 기본 구조이기도 하다. 그래핀의 전자구조는 최외각 전자 4개 중 다른 탄소 원자와 공유결합(sp2)을 하지 않는 여분의 최외각 전자 한 개의 파동함수가 평면에 수직인 형태로 존재하게 되어 형성된다. 이 때, 브리루앙 영역의 모서리(디랙점) K와 K‘ 부근에서 전자의 결정운동량과 에너지는 서로 비례하는 분산관계를 가진다 [1,2]. 이러한 전자구조에 의해 얻어진 전자의 페르미 속도(ƲF)는 빛의 속도의 1/300 값을 갖게 되어 그래핀에서의 전자이동도는 현재까지 발견된 모두 물질을 뛰어넘게 되었다 [3,4]. 또한 그래핀의 뛰어난 기계적 물성 및 열적, 화학적 안정성은 그 응용 가능성을 무궁무진하게 만들고 있다. 본 연구에서 주목하는 특성은 실리콘보다 100배 빠르게 전자를 이동시키고, 구리보다도 100배 많은 전류를 수송할 수 있는 특성이다. 이러한 특성을 활용하여 동작속도 향상에 정체를 겪고 있는 실리콘을 기반으로 한 반도체를 대체할 수 있는 새로운 패러다임의 그래핀을 이용한 소자의 개발이 가능할 것으로 기대하고 있다 [5,6]. 하지만, 여러 가지 방법으로 제작된 그래핀의 특성은 예상보다 낮은 값을 보이고 있으며, 그래핀의 결정성과 작은 도메인이 이러한 문제를 야기하는 것으로 생각되고 있다[7,8]. 따라서, 본 연구의 주제인 고품질ㆍ대면적 그래핀의 합성이 선결되어야 할 과제이다. 그래핀을 만드는 방법은 크게 세 가지로 분류되고 있다. 첫째, 흑연결정으로부터 기계적으로 그래핀을 박리하는 방법으로 그 크기가 마이크로 수준이어서 실제 응용에는 큰 제약이 있다 [9]. 둘째, 전이금속 촉매층에 화학기상증착법을 이용한 합성법으로 대면적 합성이 가능하나 아직 그 결정성이 좋지 않아 전하 이동도가 기대만큼 나오지 않고 있다 [10,11]. 마지막으로 탄화규소(SiC) 단결정 기판을 이용한 합성법은 성장된 그래핀이 반도체 기판 위에 존재함으로써 다른 성장법에 비해 큰 이점을 가지고 있다. SiC 기판에 그래핀이 합성되는 원리는 고온에서 규소가 먼저 승화되고 남아 있는 탄소들이 재결정화를 이루는 것이다 [12,13]. 단결정 SiC 기판에는 탄소가 균일하게 분포되어 있기 때문에 대면적에 고결정성의 epitaxial 그래핀이 합성된다. 또한 다음과 같은 이유로 SiC 기판을 이용한 epitaxial 그래핀의 합성에 대한 새로운 접근법이 가능하다. 첫째, 기존의 초고진공 하에서 진행된 합성법이 아닌 상압에서의 합성법들이 최근 보고되었다 [5]. 이러한 성장법이 가능한 이유는 SiC가 아주 높은 녹는점(2730˚C)을 갖고 있어 상변이를 조절할 수 있는 온도 영역이 넓고, 초고진공부터 상압까지의 구간에서 규소의 승화 정도를 조절할 수 있기 때문이다. 둘째, SiC 기판은 맨 위 층에 존재하는 원소의 종류에 따라 규소면과 탄소면으로 나뉜다. 각각의 면에서 성장하는 그래핀은 구역(domain)의 크기, 기판과 그래핀 사이에 존재하는 계면층(버퍼층), 그래핀 층간 배열에서 큰 차이를 보인다 [13-16]. 이러한 구조 변화는 전자구조를 변형시켜 전하밀도, 에너지 틈, 디랙점 에너지의 위치 등이 바뀌게 된다. 따라서 온도와 압력을 달리한 합성법을 통해 다양한 epitaxial 그래핀의 합성법이 도출될 수 있으며, 각각의 조건에 따라 변화된 그래핀 도메인의 크기와 버퍼층의 구조 변화, 적층구조 변화를 통해 그래핀의 전자구조를 연구하는 것이 반드시 필요하다. 고품질의 대면적 그래핀의 합성법 개발과 그에 대한 이해는 그래핀을 이용한 Dirac fermion 연구에 있어 이론적으로 예측해온 물성 제어의 실현과 새로운 패러다임의 전자소자 제작에 밑거름이 될 것으로 사료된다.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 목차 ... 3
• 제 1 장 연구 개발 과제의 개요 ... 4
• 제1절 연구의 개요 ... 4
• 제2절 본 연구의 필요성 ... 6
• 제 2 장 국내외 연구 동향 ... 7
• 제1절 국내외 연구 현황 ... 7
• 제2절 기존 연구의 문제점 및 해결방안 ... 8
• 제3절 본 연구의 중요성 ... 9
• 제 3 장 연구 개발 수행 내용 및 결과 ... 10
• 제1절 연구개발 내용 ... 10
• 제2절 연구개발 결과 ... 11
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 20
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ... 20
• 제1절 과학기술적 기대효과 ... 20
• 제2절 사회경제적 기대효과 ... 20
• 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 20
• 제 7 장 참고문헌 ... 20
• 끝페이지 ... 22