▲ 위상천이 간섭계를 이용한 전사된 그래핀의 형태학적 정성평가 모식도 / 위상천이 간섭계 이용해 고속으로 대면적(4초 만에 1 mm2 표면의 형태 측정)에 전사된 그래핀 표면의 찢어짐, 주름 그리고 잔여물을 측정할 수 있다 / 제공 : 중앙대학교 이욱재 박사  © 특허뉴스

금속촉매 기판에서 화학기상증착을 통한 대면적 고품질 그래핀 합성이 일반화되었다. 전도성 기판에 합성된 그래핀은 다양한 전자소자로의 응용을 위해 부도체 기판으로 전사되어야 한다. 전자소자 제작을 위한 고품질 그래핀 전사 연구가 활발한 가운데, 그래핀 표면의 결함을 500만 화소의 카메라로 수 초 내 살펴볼 수 있는 고속 품질검사 방법이 제시되었다.

한국연구재단은 중앙대학교 융합공학과손형빈 교수 연구팀이 전사된 대면적 그래핀의 결함 및 잔류물들을 고속(수 초 내) 으로 평가할 수 있는 광학기법을 개발했다고 28일 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 (예 : 8~12인치 웨이퍼) 그래핀을 보다 빠르게 검사하는 방법이 필요한 실정이었다.

원자 하나 두께인 아주 얇은 그래핀을 고분자 박막으로 코팅, 지지하여 다른 기판에 옮긴 후 코팅을 다시 제거하는데 이 과정에서 그래핀이 찢어지거나 주름이 생길 수 있고 고분자 박막이 완전히 제거되지 않고 불순물로 남을 수도 있다. 이러한 결함이나 불순물은 그래핀 전자소자의 성능저하 또는 불량으로 이어진다.

연구팀은 기존 장비보다 구조가 단순한 위상천이 간섭계 즉, 빛의 간섭 원리를 이용해 측정 표면과 기준면 사이의 거리를 정밀하게 변화시키면서 시료의 표면에 대한 고해상도 이미지를 얻고, 이미지로부터 위상을 계산, 변환하여 표면의 높이 정보를 0.1 nm 이하의 수직해상도로 얻을 수 있어 고속의 표면 프로파일링에 응용할 수 있는 위상천이 간섭계를 이용해 고해상도 카메라(5백만 화소)로 1 mm2 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.

탐침이 표면의 여러 지점을 옮겨 다니며 순차적으로 측정해 나가는 기존의 방식 대비 속도가 크게 향상시킨 것이다.

수 백 ㎛2 크기에서 가능했던 검사를 mm2 단위의 대면적으로 확대할 수 있는 실마리를 제공한 것으로 그래핀 외에도 원자층 두께의 다양한 이차원 소재로 확장할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

이번 연구 결과 성과는 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’에 인사이드 백 커버 논문으로 9월 24일 게재되었다.

▲ 국제학술지 Advanced Materials 속지(inside back cover)에 소개된 연구내용 모식도 / 위상 천이 간섭계를 통해 전사된 그래핀의 고분자 잔류물, 찢어짐, 주름과 같은 결함 분석법을 모식도를 나타내었다 / 제공 : 중앙대학교 손형빈 부교수 / 출처 : Lee, U., Woo, Y. S., Han, Y., Gutiérrez, H. R., Kim, U. J., Son, H., Facile Morphological Qualification of Transferred Graphene by Phase‐Shifting Interferometry. Adv. Mater. 2020, 32, 2002854. Copyright Wiley-VCH GmbH. Reproduced with permission.  © 특허뉴스