고품질 그래핀 500도 이하 공정으로 제조 성공…초고속·저비용 제조 실현
||2025.12.01
반도체 공정에서 1500℃ 이상의 화덕이 필요했던 그래핀 제조가 단 500℃ 이하 짧은 공정으로 가능해졌다. 차세대 전력반도체와 무선 주파수(RF) 반도체, LED 등 미래산업 핵심부품을 저렴하고 빠르게 만들 수 있는 길을 열었다는 평가다.
한국연구재단은 금현성 연세대 교수, 이태훈·박홍식 경북대 교수, 김성규 세종대 교수 연구팀이 실리콘카바이드(SiC) 기판 위에 고품질 그래핀을 초저온·초고속으로 만드는 기술을 개발했다고 1일 밝혔다. 연구팀은 이를 바탕으로 질화갈륨(GaN)·질화알루미늄(AlN) 등 차세대 반도체 박막 제조를 성공적으로 실증했다.
최근 전력반도체, 고주파 소자, 마이크로 LED 분야에서 고성능 질화물 반도체 수요가 빠르게 증가하고 있다. 질화물 반도체를 기판에서 쉽게 떼어낼 수 있는 최적의 기판을 만들기 위해서는 SiC 기판을 1500℃ 이상 고온에서 그래핀화 하는 공정이 필요하다.
이런 초고온 공정은 SiC 기판 표면을 거칠게 만들고 그래핀 두께도 불균일해지며, 고가 SiC 기판을 재사용하기 어렵다.
연구팀은 저온 공정 실현을 위해 니켈(Ni) 금속에 주목했다. 탄소가 그래핀 형태로 재배열될 때 니켈을 금속 촉매로 도입하면 에너지가 안정되는 조건을 만들어 준다는 사실을 발견했다.
이를 바탕으로 Ni 두께와 온도를 조절해 320℃에서는 단층~2층 그래핀, 500℃에서는 다층 그래핀이 모두 몇 초 안에 형성됨을 실증했다.
저온 공정으로 SiC 기판 표면이 거칠어지지 않고 원자 단위로 매끈한 상태를 그대로 유지함으로써, 최종 반도체 박막은 고온 기반 공정보다 매우 높은 결정성을 보였다.
또 저온 공정이 필수였던 차세대 반도체 기술인 2D 기반 에피택시(epitaxy) 방식이 가능해졌다는 점도 유의미하다.
이는 고가 SiC 기판 재사용과 이종소재 집적이 가능하다는 의미로, 연구팀은 저온 공정으로 제작된 반도체 박막을 마치 스티커 떼듯이 기판에서 깨끗이 떼어내는 데에도 성공했다.
금현성 교수는 “그래핀 제조 기술을 저온으로 내리면서 기판 재사용 문제와 제조비 절감에 해법을 제시한 연구”라며 “향후 저온 기반 2D 재료 합성 및 이종 에피택시 연구의 중요한 이론적 근거가 될 것으로 예상된다”고 말했다.
이번 연구성과는 국제학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 지난달 21일 온라인 게재됐다.
이인희 기자 leeih@etnews.com
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