성균관대ㆍ삼성전자, 나노 신소재 그래핀 대면적 합성법 첫 개발

홍병희 교수ㆍ최재영 박사팀


국내 연구진이 실리콘 반도체를 대체할 꿈의 나노 신소재로 주목받는 `그래핀'을 넓은 면적으로 합성하는 기술을 최초로 개발, 휘는 디스플레이나 입는 컴퓨터 실현에 한발 더 다가섰다.

성균관대 성균나노과학기술원(원장 스미오 이지마) 홍병희(37ㆍ화학과) 교수와 삼성전자 종합기술원 최재영(39) 박사팀은 14일 반도체 공정에 적용 가능한 지름 10㎝ 크기의 대면적 그래핀 합성기술과 이를 이용해 회로 등을 구성하는 패터닝 기술을 세계에서 처음으로 개발했다고 밝혔다. 이 연구결과는 영국의 권위 있는 과학저널 `네이처' 15일자 온라인판에 게재됐다. `네이처'는 자체 보도자료에서 "연구진이 만든 센티미터 수준의 그래핀 필름은 지금까지 제작된 어떤 그래핀 보다 기계적, 전기적 성질이 우수하다"며 "입는 컴퓨터와 같은 플렉시블 전자소자 가능성을 앞당겼다"고 평가했다.

그래핀은 탄소가 서로 육각형 형태로 연결돼 벌집 모양의 평면구조를 이루는 물질로, 그래핀이 튜브형태로 말려 있으면 그래핀과 함께 차세대 전자소자 소재로 주목받는 탄소나노튜브가 된다. 그래핀은 탄소 원자 한 층으로 돼 있어 세상에서 가장 얇은 물질이면서도 구조적, 화학적으로 매우 안정적이며 양자역학적 특성으로 뛰어난 전기적 성질을 가지고 있다. 현재 반도체에서 사용되는 단결정 실리콘보다 전자를 100배 이상 빠르게 이동시키고 구리보다도 100배 많은 전류를 흐르게 할 수 있어 기존 기술을 대체할 차세대 트랜지스터 및 전극 소재로 주목받고 있다. 그러나 지금까지 그래핀을 넓은 면적으로 만드는 기술이 개발되지 않아 이를 전자소자나 디스플레이 등에 응용하는 기술 연구도 큰 제약을 받아왔으며 이를 해결하기 위한 연구가 경쟁적으로 진행돼 왔다.

연구진은 간단한 화학증기증착법(CVD)을 이용해 그래핀을 대면적으로 성장시키는 기술을 개발함으로써 그래핀 응용에 가장 큰 걸림돌 중 하나를 해결했다. 이들은 메탄과 수소, 아르곤 가스를 혼합해 1000℃ 이상의 높은 온도로 가열, 300㎚ 이하의 얇게 만든 니켈(Ni) 평면 촉매 위에 탄소원자를 증착시키는 방법으로 그래핀을 지름 10㎝ 크기의 대면적으로 성장시키는데 성공했다. 이렇게 만든 그래핀은 평판 디스플레이와 터치스크린, 태양전지 등에 널리 쓰이는 대표적인 투명전극인 산화인듐주석(ITO)을 대체할 수 있을 뿐 아니라 접거나 잡아당겨도 전기적 특성이 거의 변하지 않아 신축성 전극과 대용량 트랜지스터 배열 등에 적용될 수 있다. 연구진이 그래핀으로 회로를 구성해 실험한 결과 10~30%까지 잡아당기거나 접어도 전기적 특성이 거의 변하지 않는 것으로 확인됐다. 이는 그래핀이 가격이 높고 깨지기 쉬워 입는 컴퓨터나 접을 수 있는 디스플레이 같은 차세대 전자제품에 응용되지 못하는 ITO의 단점을 극복할 수 있음을 시사한다.

홍 교수는 "이번 연구 성과는 우리나라가 강점을 가진 디스플레이와 반도체 등 분야에서 지속적으로 기술 리더십을 강화할 수 있는 계기를 만들었다는 점에서 의미가 크다"고 말했다. 삼성전자는 앞으로 성균관대와 지속적인 협력연구를 통해 초고속 나노메모리, 투명 플렉시블 디스플레이, 차세대 태양전지 등에 그래핀 관련 기술의 적용을 확대해 나갈 계획이라고 밝혔다.

박상현기자 dt.co.kr