▲ 위상천이 간섭계를 이용해 고속으로 대면적(4초 만에 1 mm² 표면의 형태 측정)에 전사된 그래핀 표면의 찢어짐, 주름 그리고 잔여물을 측정할 수 있다.

그래핀 표면의 결함을 기존 대비 1천배 이상 빠르게 검사할 수 있는 방법이 개발돼 전자산업에서의 그래핀 적용 확대에 기여할 전망이다.

한국연구재단(이사장 노정혜)은 손형빈 중앙대 융합공학과 교수 연구팀이 전사된 대면적 그래핀의 결함 및 잔류물들을 수 초 내로 평가할 수 있는 광학기법을 개발했다고 27일 밝혔다.

촉매(구리) 기판에서 부도체 기판으로 그래핀을 전사하는 공정은 트랜지스터, 광센서, 바이오센서 같은 전자소자 제작에 필수적이다.

전사 후에는 고가의 공초점 라만분광법이나 원자현미경을 이용해 수백 ㎛²면적 표면의 결함을 측정하는데 이 과정에 십 분 이상 또는 수 시간이 걸린다. 때문에 그래핀 소자의 대량생산을 위해 대면적의 그래핀을 보다 빠르게 검사하는 방법이 필요한 실정이었다. 그러나 원자 하나 두께인 아주 얇은 그래핀을 고분자 박막으로 코팅하고 다른 기판에 옮긴 후 코팅을 다시 제거해야하는 과정에서 그래핀이 찢어지거나 불순물이 남는 문제점이 발생할 수 있다.

연구팀은 기존 장비보다 구조가 단순한 위상천이 간섭계를 이용해 고해상도 카메라(5백만 화소)로 1mm² 대면적 영역의 그래핀 표면을 4초 이내에 검사하는 데 성공했다.

쌀알 면적의 그래핀 영역에 대해 사진 4~7장을 연속적으로 얻고, 표면에서 반사된 빛의 위상을 계산했다. 그를 통해 표면의 높이 정보를 얻어 표면의 찢어짐이나 주름, 불순물 존재를 알아냈다.

연구진은 이번에 개발된 기술이 공초점 라만분광기와 같은 측정법에 비교해서 약 1,000배 이상의 속도 향상을 이뤘으며, 기존 수 백㎛² 크기에서 가능했던 검사를 mm² 단위의 대면적으로 확대할 수 있는 실마리를 제공한 것으로 평가했다. 또한 향후 그래핀 외에도 원자층 두께를 지니면서 차세대 전자소자의 핵심소재로 주목받는 이차원 전이금속 칼코겐화합물 소재와 같은 다른 나노물질의 고속측정에도 응용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

한편 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구지원사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’에 인사이드 백 커버 논문으로 9월24일 게재됐다.