웨어러블 소자 개발 가능 저비용 대면적 그래핀 나노리본 제조기술 개발

이태우 교수

아주경제 이한선 기자 = 국내연구진이 웨어러블 소자 개발이 가능한 저비용 대면적 그래핀 나노리본 제조기술을 개발했다.

미래창조과학부는 이태우 포항공과대학교 신소재공학부 교수가 주도하고 웬타오 연구교수가 제1저자로 참여한 국내 연구진이 정렬 및 패터닝이 가능한 유기 나노선을 이용한 리소그라피 방법으로 저비용·단시간의 그래핀 나노리본 제작 기술을 개발했다고 27일 밝혔다.

이 기술은 메모리·디스플레이 등 고집적 전자회로에 활용할 수 있는 그래핀 나노리본을 원하는 모양으로 넓은 면적에 걸쳐 쉽게 제작할 수 있어 그래핀 나노리본의 우수한 전기적 특성과 그래핀 특유의 투명함과 유연함을 활용한 웨어러블 전자소자나 접히는 디스플레이 분야의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구는 미래부가 추진하는 글로벌프론티어사업의 일환으로 추진하는 나노기반 소프트일렉트로닉스연구단의 지원으로 수행돼 재료과학분야 세계적 권위 학술지인 어드밴스드 머티리얼스지 10일자 온라인에 게재됐다.

그래핀은 우수한 전기적, 물리적, 그리고 화학적 특성을 가지고 있어 차세대 고집적 유연 전자 소자의 핵심 물질로 주목받고 있지만 전자가 지닐 수 있는 에너지의 허용된 대역인 밴드갭이 없어 이를 활용하는 반도체 특성의 전자장치에 사용하기 어려운 문제점이 있었다.

그래핀이 나노리본 형태가 되면 밴드갭을 갖게 되고 폭이 좁아질수록 커지게 돼 반도체 특성을 활용할 수 있다.

기존에 다양한 그래핀 나노리본 제작 기술이 소개됐지만 공정단가가 높은 가운데 제작시간이 길었고 트랜지스터나 메모리와 같은 전자소자에 적용하기 위해서는 대면적에서 개별적인 폭 조절과 위치 정렬을 필요해 산업적인 측면에서 한계가 있었다.

연구팀은 전기장을 이용해 고분자 용액으로부터 유기 나노선을 형성하고 이를 원하는 위치에 정렬하거나 패터닝할 수 있는 기술을 그래핀 나노리본 제작에 활용했다.

점도가 높은 고분자 용액을 제조해 금속 노즐에 삽입한 후 1 kV 이상의 고전압을 걸어주면 노즐 아래의 접지된 기판과의 정전기적 인력에 의해 고분자 용액이 선형으로 방출되고 고분자 용액의 용매가 증발해 기판 위에 수십 내지 수백 나노미터 지름의 고체 상태 유기 나노선이 형성됐다.

화학기상증착법을 통해 실리콘 기판 위에 그래핀을 형성하고 위에 유기 나노선을 원하는 위치에 정렬시킨 후 필요 없는 부분을 제거하는 산소 플라즈마 식각 과정을 거쳐 유기 나노선의 형태를 따라 그래핀 나노리본을 제작해 기존에 시간이 많이 걸리면서 높은 공정비용이 들고 대면적 패터닝이 어려웠던 그래핀 나노리본 제작 공정의 단점을 극복했다.

연구팀은 이 기술을 이용해 10nm 이하 범위의 폭으로 밴드갭을 가진 그래핀 나노리본을 제작하고 이를 전계 효과 트렌지스터의 채널로 이용해 상온에서 약 70의 온.오프 전류비와 약 300cm2V-1s-1의 정공 이동도 값을 가지는 소자를 제작하는데도 성공해 향후 전자 소자로의 활용 가능성도 입증했다.

연구팀은 “연구에서 기존의 방식과는 달리 원하는 위치에 원하는 길이의 그래핀 나노리본을 대면적으로 제작할 수 있는 것은 물론 저비용으로 간결한 공법이 가능해 그래핀 나노리본을 이용한 전자소자의 연구를 더욱 가속화 시킬 것”이라며 “이번 연구성과는 2020년 50조원 규모로 성장할 것으로 예측되는 입는 컴퓨터 및 플렉시블 전자소자 등을 구현하기 위한 원천기술로 사용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

대면적 그래핀 나노리본 제작 방법의 모식도, 화학기상증착법을 통해 실리콘 기판 위에 그래핀을 형성한 위에 고분자 용액을 금속 노즐에 삽입한 후 고전압을 걸어 기판 위에 수십 내지 수백 나노미터 지름의 고체 상태 유기 나노선을 형성하고 원하는 위치에 정렬시킨 후 필요 없는 부분을 제거하는 산소 플라즈마 식각 과정을 거쳐 유기 나노선의 형태를 따라 그래핀 나노리본을 제작했다