2004년 안드레 가임과 노보셀로브에 의해 처음 그래핀(graphene)이 발견되었다[1]. 그래핀은 뛰어난 전기적, 광학적, 기계적 성질을 보이면서 엄청난 관심을 끌고 있다. 탄소 원자의 2차원 육각형 sp2 결합체로서 탄소 나노구조체가 가지는 여러 가지 우수한 특성을 보유하면서 대면적 기판위에서 소자구현이 가능하다는 장점 때문에 고품질 그래핀 제조 및 물리적 특성, 소자 응용에 관한 연구가 폭발적으로 증가하였다. 하지만 이를 응용하여 소자로 구현하기 위해서는 고품질의 그래핀을 대면적, 대량생산 하여야 한다. 그래핀 합성에는 다양한 방법이 있다. 먼저 벌크 그래파이트를 강한 산을 이용하여 액상에서 화학적으로 박리하여 그래핀 산화 박막(graphene oxide film)을 기판에 증착 후 화학적 환원법을 이용하는 방법이 있다[2,3]. 그러나 그래핀 산화시 많은 결정 결함이 발생할 수 있어 전기적 특성을 열화시키는 단점이 있다. SiC(0001) 기판에서 진공 열처리를 통해 에피택시 그래핀 제조가 가능하나 전사(Transfer)가 어렵고, 열적 화학기상 증착법(CVD) 방법에 비해 전기적 특성이 좋지 않고, 기판이 비싸고, 소자를 만들기 어렵다는 단점이 있다. 따라서 대면적 고품질 그래핀 합성을 위해 화학기상 증착법을 많이 사용하고 있다.
화학기상증착법은 대면적 그래핀 제조를 위한 대표적인 방법으로 많은 연구가 진행되어왔다.[4-7] 화학기상증착에 의한 그래핀 성장 메커니즘과 이에 따른 막질 및 두께 제어는 사용되는 촉매 금속기판의 재료와 상태에 큰 영향을 받게 된다.[4-10] 가장 많이 연구되어 왔고 일반적으로 사용되는 Ni과 Cu 기판 재료의 경우도 서로 상이한 그래핀 성장 메커니즘을 가지게 된다. Ni 기판에서는 탄소의 침탄 고용비율이 1 at.% 정도로 매우 높기에 보통 1000 ℃ 정도의 고온의 성장온도에서 침탄이 이루어지고 온도를 내릴 때 탄소 석출에 의해 그래핀이 성장하게 된다.[5-7] 반면 Cu 기판의 경우에는 침탄 고용비율이 0.05 at.%로 매우 낮아 Cu 표면에서 메탄 같은 반응가스 분해에 이은 직접적인 증착반응을 통해 그래핀이 성장하게 된다.[6-7] 이러한 금속 표면에서의 촉매반응과 성장메커니즘의 차이는 막질 뿐만 아니라 성장 온도에도 큰 영향을 미치게 된다. 탄소나노튜브의 경우에도 Ni, Fe, Co 등의 다양한 촉매금속에 따른 나노튜브 성장특성에 관한 많은 연구가 진행되어 왔다. 반면에 그래핀의 경우에는 대부분의 연구가 Ni과 Cu에 집중되어 왔고 다른 촉매 기판금속에 대한 연구가 미비한 편이다. 이는 Ni과 Cu가 비교적 저비용으로 대면적 기판제조에 적합할 뿐만 아니라 우수한 그래핀 제조특성을 보여 왔기 때문일 것이다.[4-10] 그렇지만 700 ℃미만에서 그래핀제조를 위해서 Al 등의 대안이 될 수 있는 새로운 촉매 기판금속에 관한 연구가 있어왔다.[11]
본 연구에서는 화학기상증착법에 의한 그래핀 성장특성을 보다 깊이 이해하고 새로운 촉매금속 모색을 위해 Ni 뿐만 아니라 Fe와 귀금속 계열의 Ag, Au, Pt 촉매 기판금속을 사용하였다. 특히 고품질 그래핀 성장과 성장온도를 더욱 낮추기 위한 노력으로 유도결합 플라즈마 화학기상증착법을 이용하여 다양한 촉매 금속기판에서의 그래핀 성장특성을 분석 비교하였다. 유도결합 플라즈마는 비교적 장치가 간단하여 대면적 기판의 대량생산설비 구축에 유리하며, 무엇보다 전자 밀도가 매우 높은(~1015 cm-3) 플라즈마로서 탄소원자 및 반응기 활성화에 매우 효과적이다. 이러한 유도결합 플라즈마가 Cu 기판에서 고품질 그래핀 제조에 효과적이라는 결과가 보고되고 있으나[8] 다양한 금속기판에서 성장특성에 관한 연구는 거의 전무한 상태이다. 본 연구에서는 주요 성장변수인 성장온도, 플라즈마 파워와 성장시간에 따른 체계적인 실험을 통해 각 금속기판들에서 그래핀 성장이 어떤 차이를 보이는지를 논의하고자 한다.

We report the chemical vapor deposition growth characteristics of graphene on various catalytic metal substrates such as Ni, Fe, Ag, Au, and Pt. The 50-nm-thick metal films were deposited on SiO2/Si substrates using dc magnetron sputtering. Graphene was synthesized on the metal/SiO2/Si substrates with CH4 gas (1 SCCM) diluted in the mixed gases of 10% H2 and 90% Ar (99 SCCM) using inductively-coupled plasma chemical vapor deposition (ICP-CVD). The highest quality of graphene films were achieved on Ni and Fe substrates at 900 ℃ and 500 W of ICP power. Ni substrate seemed to be the best catalytic material among them for graphene growth since it required the lowest growth temperature (600 ℃) as well as a low ICP power of 200 W. Graphene films were grown on Ag, Au, and Pt substrates successfully as well. Graphene was formed on Pt substrate within 2 sec while graphene film was achieved on Ni substrate over 5 min growth. It can be understood by the direct CVD growth of graphene with a highly efficient catalytic reaction on Pt surface.