대면적 그래핀 고속 검사 기술 개발
무결점 그래핀 전사 프로토콜 개발을 위한 필수 분석법
□ 그래핀 표면의 결함을 500만 화소의 카메라로 수 초 내 살펴볼 수 있는 고속 품질검사 방법이 제시되었다.
※ 그래핀(Graphene) : 탄소원자 한 층으로 된 얇은 막. 전기전도성, 열전도성, 투명성 등이 우수하다
○ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 손형빈 교수(중앙대학교 융합공학과) 연구팀이 전사된 대면적 그래핀의 결함 및 잔류물들을 고속(수 초 내) 으로 평가할 수 있는 광학기법을 개발했다고 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 간섭계를 이용해 고해상도 카메라(5백만 화소)로 1 mm2 대면적 영역의 그래핀 표면을 4초 이내에 검사하는 데 성공했다.
※ 위상천이 간섭계(Phase-Shifting Interferometry) : 빛의 간섭 원리를 이용해 측정 표면과 기준면 사이의 거리를 정밀하게 변화시키면서 시료의 표면에 대한 고해상도 이미지를 얻는다. 이미지로부터 위상을 계산, 변환하여 표면의 높이 정보를 0.1 nm 이하의 수직해상도로 얻을 수 있어 고속의 표면 프로파일링에 응용할 수 있다.
□ 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.
○ 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구지원사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’에 인사이드 백 커버 논문으로 9월 24일 게재되었다.
