조작된 그래핀 결함이 새로운 기술 잠재력을 열어줍니다

설계된 결함이 그래핀 성능을 향상시키는 방법

원자 한 층으로 이루어진 2차원 물질 중에서 그래핀은 가장 잘 이해되고 흔히 연구되는 물질입니다., 함께 보로 펜, 골든, 그리고 다른 일부는 일반적인 3차원 원자 구조의 동일한 원자와는 매우 다른 놀라운 특성을 나타냅니다.

이러한 특성은 주로 그래핀의 비편재화된 π-전자들이 2차원 격자 내에서 자유롭게 이동할 수 있기 때문에 나타나는 것으로, 이로 인해 그래핀은 탁월한 열적, 전기적, 기계적 특성을 갖게 됩니다.

하지만 최상의 성능은 이러한 물질이 완벽하게 균질하지 않고, 오히려 독특한 양자 및 화학적 효과를 만들어내는 불순물을 포함하고 있을 때 종종 관찰됩니다.

"저희 연구는 그래핀을 만드는 새로운 방법을 탐구합니다. 이 초박형, 초강력 소재는 탄소 원자로 이루어져 있으며, 완벽한 그래핀은 놀랍지만 때로는 너무 완벽해서 문제가 되기도 합니다."

이 물질은 다른 물질과의 상호작용이 약하고 반도체 산업에 필요한 핵심적인 전자적 특성이 부족합니다.

데이비드 던컨 - 노팅엄 대학교 부교수

영국, 독일, 스웨덴의 여러 대학 연구진(12개 이상의 대학이 참여한 공동 연구)은 단 한 단계 공정으로 그래핀에 이러한 "결함"을 도입하는 방법을 발견했으며, 이는 획기적으로 개선된 그래핀 소재 개발의 길을 열었습니다.

그들은 자신들의 연구 결과를 과학 저널인 Chemical Science에 발표했습니다.¹, 제목 아래 '위상 결함을 포함하는 그래핀의 단일 단계 합성".

그래핀의 한계

2004년 발견 이후 기적의 물질로 칭송받아온 그래핀은 2년이 넘도록 실생활에 적용되는 데 더디게 움직여 왔습니다.

이는 그래핀이 연구원과 제조업체가 원하는 방식으로 다른 물질과 상호작용하는 경우가 드물기 때문입니다.

그래핀은 일반적으로 6개의 탄소 원자가 평평한 고리 형태로 반복 배열된 구조로 이루어져 있습니다.

출처: 나노기술 저널

이 구조에 다른 분자를 삽입하면 다른 물질과의 상호 작용이 향상될 수 있지만, 종종 그래핀을 흥미롭게 만드는 본래의 특성을 저하시키기도 합니다.

이러한 방법들은 또한 제대로 통제되지 않아 일관성 없는 결과와 균일하지 못한 최종 결과를 초래합니다.

따라서 핵심은 그래핀의 특성을 유지하면서 그래핀 상호작용을 개선하는 방법을 찾는 것입니다.

적절한 결함을 찾다

연구진은 계산을 통해 이번 연구에서 목표로 삼은 결함이 물리학에서 5개 및 7개 원자로 이루어진 고리라고 알려진 인접한 고리 구조임을 밝혀냈습니다. 스톤-웨일스 결함.

독특한 구조를 가진 유기 분자인 아주피렌이 그래핀 개선에 필요한 조건에 거의 완벽하게 부합하는 것으로 밝혀졌습니다. 아주피렌은 자연적으로 5환 및 7환 구조를 가지고 있기 때문에, 그래핀 성장 과정에서 무작위적인 손상이 아닌 "템플릿" 역할을 합니다.

출처: 화학 과학

그래핀과 아주피렌은 그래핀 및 반도체 제조에 일반적으로 사용되는 화학 기상 증착(CVD)이라는 방법을 이용하여 구리 기판 위에 성장시켰습니다.

성장은 산소가 없는 초고진공(UHV) 환경에서, 즉 10⁻⁶만큼 낮은 진공 상태에서 진행되었다.^{- 10} 압력은 mbar입니다.

변형된 그래핀의 성능 평가

결정의 청결도는 X선 광전자 분광법(XPS), 저에너지 전자 회절(LEED) 및 주사 터널링 현미경(STM)을 이용하여 평가하였다.

출처: 화학 과학

기판 온도가 1000K(726°C/1340°F)에 달하는 매우 높은 온도에서 아즈피렌은 모아레 초구조를 나타내는 이상적인 그래핀을 형성하는 것으로 나타났습니다.

현미경 관찰 결과 6각형 고리(그래핀) 격자 내에 5각형/7각형 고리 결함이 박혀 있는 것이 확인되었다.

출처: 화학 과학

고농도 조건에서 온도를 조절하면 5원환과 7원환이 섬 형태로 존재하며, 이는 비접촉 원자력 현미경(nc-AFM)을 통해 확인되었다.

따라서 이 방법은 일관된 결과를 도출할 뿐만 아니라, CVD 공정 중 다양한 온도를 사용하여 그래핀에 통합되는 아주피렌의 정확한 농도를 미세 조정할 수 있습니다.

출처: 화학 과학

어플리케이션

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이는 그래핀에 "결함"을 도입하는 최초의 사례 중 하나로, 이상적인 분자 유형을 사용했을 뿐만 아니라 완벽하게 제어 가능한 방식으로 도입했습니다.

"시작 분자와 성장 조건을 신중하게 선택함으로써, 보다 제어된 방식으로 결함을 도입할 수 있는 그래핀을 성장시키는 것이 가능하다는 것을 보여주었습니다. 원자 규모 이미징, 분광학 및 컴퓨터 시뮬레이션을 결합하여 이러한 결함의 특징을 분석했습니다."

라인하르트 마우러 교수 - 워릭 대학

이렇게 변형된 그래핀은 다른 물질과 훨씬 쉽게 결합할 수 있어, 이 새로운 유형의 그래핀에 대한 완전히 새로운 응용 분야를 열어줍니다.

우리는 이러한 결함이 그래핀을 다른 물질에 더 잘 달라붙게 만들어 촉매로서의 유용성을 높일 뿐만 아니라 센서에 사용될 때 다양한 가스를 감지하는 능력도 향상시킨다는 것을 발견했습니다.

이러한 결함은 그래핀의 전자적 및 자기적 특성을 변화시킬 수 있으며, 이는 반도체 산업에서 잠재적인 응용 가능성을 제공합니다.

데이비드 던컨 - 노팅엄 대학교 부교수

우리는 이전에 그래핀이 어떻게 점점 더 많이 사용되고 있는지에 대해 보도한 바 있습니다. 스핀트로닉스, 수소 연료 전지, 6G 테라헤르츠 안테나글렌데일 배터리 열 관리, 다른 많은 예 중에서.

CVD 기술과 첨단 소재 분야에서 Veeco의 역할

Veeco 계측기 Inc.

Veeco는 1945년 창립 이래 반도체 제조 산업에 장비를 공급하는 주요 공급업체입니다. Veeco의 장비는 첨단 EUV 칩 제조, 5G 안테나, 하드 드라이브, LIDAR, LED, EV용 전력 전자 장치 등을 생산하는 데 사용됩니다.

출처: 베코

이 회사의 주요 기술적 초점은 보로펜 생산에 사용되는 것과 동일한 CVD 공정, 더 정확히 말하면 MOCVD(금속 유기 화학 기상 증착)입니다.

바로 지난달(2025년 11월 5일), Veeco는 발표 선도적인 전력 반도체 제조업체로부터 Propel®300 MOCVD 시스템에 대한 대규모 주문을 수주했습니다. 특히 질화갈륨(GaN) 에피택시용인 이번 주문은 대규모 그래핀 생산에 필요한 것과 유사한 정밀 증착 장비에 대한 상업적 수요가 증가하고 있음을 입증합니다.

이 회사는 지리적으로 다각화되어 있으며, 중국이 전체 매출의 28%만을 차지하지만, 아시아 태평양 지역 전체가 전체 매출의 절반을 차지하여 전자 부품 제조 분야에서 이 지역의 중요성을 반영합니다.

이 기술은 1990년대 하드 드라이브부터 오늘날 LED 및 첨단 반도체에 이르기까지 점점 더 많은 제조 공정에 사용되어 왔습니다.

출처: 베코

반도체 산업의 틈새 시장인 CVD 분야의 선두주자인 Veeco는 CVD 응용 분야의 성장에 투자하기에 좋은 후보입니다. 또한 장비 제조업체인 Veeco는 특정 틈새 시장이나 기술에 국한되지 않고, 자사 공정의 어느 단계에서든 CVD를 활용하기만 하면 됩니다.

이로 인해 회사는 첨단 레이저 어닐링 및 이온 빔 증착 기술에 힘입어 전체 시장 규모가 빠르게 성장할 것으로 예상하게 되었습니다.

출처: Veeco

이러한 성장은 원자 수준에서 물질을 조작하는 기술이 점차 향상되고 2D 소재를 새로운 응용 분야에 활용함에 따라 그래핀, 텅스텐, 보로펜의 사용이 증가하는 데서 비롯될 수도 있습니다.

또한 조만간 2D 소재를 대규모로 사용하든 그렇지 않든 디지털화, AI, 전기화의 엄청난 추세로부터 이익을 얻을 가능성이 높습니다.

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참고 연구

^{1. Klein, BP, Stoodley, MA, Deyerling, J. 등. (2025). 위상 결함을 포함하는 그래핀의 단일 단계 합성화학과학, 16, 19403–19413. https://doi.org/10.1039/d5sc03699b}