초록 ▼

우수한 물리적 특성으로 인해 다양한 분야로의 응용이 가능한 그래핀은 층수에 따라 전기 전도도가 변화한다. 이런 그래핀을 기존의 반도체 소자로 응용하기 위해서는 층수 제어가 가능한 합성법의 마련이 젓요하다. 본 연구에서는 선택적인 위치에 그래핀의 층수를 적절하게 제어하여 직접적으로 소자로 활용할 수 있는 합성법을 연구하였다. 그래핀을 합성하는 여러 가지 방법들 젓에서 대면적의 양질의 그래핀 합성이 가능한 열 화학기상증착법을 이용하였으며, 탄소의 용해도가 다른 촉매 금속을 이용하여 본 연구의 목표를 달성하였다.
우선 1차년도에는

우수한 물리적 특성으로 인해 다양한 분야로의 응용이 가능한 그래핀은 층수에 따라 전기 전도도가 변화한다. 이런 그래핀을 기존의 반도체 소자로 응용하기 위해서는 층수 제어가 가능한 합성법의 마련이 젓요하다. 본 연구에서는 선택적인 위치에 그래핀의 층수를 적절하게 제어하여 직접적으로 소자로 활용할 수 있는 합성법을 연구하였다. 그래핀을 합성하는 여러 가지 방법들 젓에서 대면적의 양질의 그래핀 합성이 가능한 열 화학기상증착법을 이용하였으며, 탄소의 용해도가 다른 촉매 금속을 이용하여 본 연구의 목표를 달성하였다.
우선 1차년도에는 선택적으로 층수가 제어된 그래핀 박막의 합성 메커니즘에 대한 연구를 진행하였다. 탄소 용해도가 다른 두 가지 금속을 선택적으로 위치시켜 단층 그래핀과 다층 그래핀을 동시에 합성할 수 있는 합성법을 마련하였다. 본 연구의 핵심 사항은 두 금속 물질의 상호 확산에 의한 촉매 구조의 붕괴라는 문제점을 극복하는 것에 있다. 두 금속 물질의 확산 속도, 탄화수소 공급 시기, 탄화수소와 수소 가스의 비율 등을 적절히 조절함으로써 문제점을 극복하여 합성 메커니즘을 규명하였고, 목표를 달성하였다.
2차년도에는 자체 개발한 합성 메커니즘을 바탕으로 고결정의 층수가 제어된 그래핀 박막의 합성의 최적 조건을 확립하였다. 주요 변수로는 증착된 니켈(탄소 용해도가 큰 금속)의 두께, 탄화수소 가스를 주입하는 시기, 성장온도, 성장 시간, 탄화수소와 수소 가스의 비율이다. 이 변수들은 그래핀의 층수와 결정성에 젓요한 영향을 끼친다. 최적 조건으로는 니켈 1 마이크로미터의 두께, 800도에서 탄화수소 가스의 주입, 1050도의 성장 온도, 1시간의 성장 시간, 50: 1의 가스 성분비로 확립되었다.
3차년도에는 합성된 층수가 제어된 그래핀 박막을 이용하여 전계효과 트랜지스터 소자로 응용하여 그 특성을 살펴본 결과, 유연하고 투명한 소자로의 활용에 적합하고 트랜지스터로서 응용이 가능하다는 것을 확인하였다. 전도도가 우수하면서 투과도가 좋은 그래핀의 층수는 3~6층으로 알려져 있기 때문에 전극으로 활용할 다층 그래핀의 두께를 4~5층으로 제어하였다. 동시에 전하 이동도가 높은 단층 그래핀을 합성하기 위한 최적 조건으로 합성된 그래핀 박막으로 PET 필름 위에 트랜지스터 소자를 제작하여 여러 가지 물성과 전기적 특성을 확인하였다.
또한 이차원 물질이면서 1.9 eV의 밴드갭을 지닌 이황화 몰리브덴을 합성하는 연구도 동시에 수행하였다. 이황화 몰리브덴은 광전소자로써 물성이 우수하기 때문에 태양전지의 핵심 소재로 활용할 목표로 연구를 수행하였다. 태양전지 소자의 제작을 위해 고안된 태양전지의 구조 위에 직접적으로 이황화 몰리브덴을 합성하였다. 이로써 이황화 몰리브덴을 전사하는 과정에서 발생하는 문제점을 극복할 수 있었으나 이론적으로 계산된 만큼의 결과를 얻는 것에는 실패하였다. 그러나 향후 발전된 기술과 합성법으로 이를 개선할 수 있으리라 기대된다.
본 연구는 층수가 제어된 그래핀과 이황화 몰리브덴의 합성법을 규명하고 소자로의 활용을 실현시켰다. 향후 논리회로로써 보다 발전된 기술(낮은 on/off ratio에서도 작동 가능한 기술)과 접목이 된다면 나노 전자 소자의 발전에 크게 이바지할 것으로 기대된다.

(출처 : 연구결과 요약문 4p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 3
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 4
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 5
• 1. 연구과제의 개요 ... 5
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 6
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 10
• 참고문헌 ... 16
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 17
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 17
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 17
• Ⅲ. 연구성과 ... 18
• 끝페이지 ... 18