1만 배 커진 2차원 '화이트 그래핀'
1만 배 커진 2차원 '화이트 그래핀'
  • 강지희
  • 승인 2019.05.25 21:55
  • 조회수 4594
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폴더블폰 이미지. 출처: Fotolia
폴더블폰 이미지. 출처: Fotolia

최근 폴더블폰이 등장하며 이목을 끌고 있습니다. 스마트폰을 절반으로 접었다 폈다 할 수 있는 폴더블폰은 기존보다 두 배 큰 디스플레이를 가지면서도, 휴대 편의성은 지켰다는 특징이 있습니다. 산업계에서는 이에 그치지 않고 신문처럼 돌돌 말고 펼 수 있는 필름형태의  '롤러블(rollable) 전자기기'를 개발하기 위한 연구를 진행하고 있습니다.

 

완전한 롤러블 전자기기의 상용화를 위해서는 종잇장보다 수백만 배 얇은 2차원 소재가 필요합니다. 특히 원자의 배열이 균일한 단결정 소재를 활용해 이를 구현한다면, 훨씬 작은 전력으로도 고성능을 낼 수 있는 전자기기를 구현할 수 있죠. 하지만 아직까지 도체(전기가 통하는 물질)인 그래핀을 제외하고 2차원 단결정 소재를 상용화에 충분한 큰 면적으로 제작한 사례는 없습니다. 2차원 단결정 소재는 지금까지 최대 수 ㎟ 크기로 제작하는 것이 한계였는데요. 현존 반도체 제조 공정에 적용하기 턱 없이 작은 크기죠.

 

기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 펑딩 그룹리더(UNIST 특훈교수) 팀은 중국, 스위스 연구진과 함께 신문처럼 돌돌 말리는 저전력․고성능 롤러블 디스플레이 상용화를 위한 핵심기술을 개발했다고 합니다. <Nature>에 게재된 논문에 따르면 연구진은 수㎟ 크기로 제조하는 것이 한계였던 단결정 2차원 화이트 그래핀을 최대 100㎠의 대면적으로 제조하는데 성공했다고 합니다. 이는 반도체 제작 공정에 바로 적용할 수 있는 크기입니다.

 

어떻게 개발했는가

 

연구진은 2차원 대면적 단결정 소재 합성의 열쇠는 제조에 사용되는 기판(substrates)이 쥐고 있음을 증명했습니다. 기판의 표면 대칭성이 합성하고자 하는 물질보다 낮아야 2차원 물질 속 원자의 배열과 배향을 흩뜨리지 않고 단결정 형태로 제작이 가능하다는 의미죠. 지금까지 2차원 단결정 대면적 제작에 성공한 건 그래핀이 유일합니다. 육각형 모양의 그래핀은 60° 회전할 때마다 같은 모양이 나오는 즉 6축 대칭성을 가진 물질인데요. 그래핀 제조에 일반적으로 사용되던 구리(111) 기판의 표면은 4축 대칭성을 가집니다. 90° 회전할 때 마다 같은 모양이 나온다는 의미죠.

 

기존 다른 연구진들은 그래핀 제조를 모방해 육방정계 질화붕소(h-BN) 제조에도 구리(111)를 사용했습니다. 하지만 h-BN은 3축 대칭성 물질로 4축 대칭성을 가진 구리(111) 위에서 성장시킬 경우 두 가지의 배향을 가진 물질로 성장할 수 있습니다. 다른 연구진들이 2차원 대면적 단결정 h-BN 제조에 실패한 이유죠.

단결정 구리(Cu) 포일 위 2차원 h-BN 성장 메커니즘. 출처: 기초과학연구원
단결정 구리(Cu) 포일 위 2차원 h-BN 성장 메커니즘. 출처: 기초과학연구원

연구진은 이론적 분석을 바탕으로 더 낮은 표면 대칭성을 가진 구리(110)을 사용해 기판을 제작했습니다. 구리(110)의 표면은 2축 대칭성을 갖기 때문이죠. 그 다음 연구진은 열처리(annealing) 공정을 통해 가로‧세로 10㎝의 구리(110) 기판을 제조했다고 합니다. 열처리 공정은 아르곤 및 수소 대기 환경에서 금속을 일정 온도에 노출시켰다가 급속 냉각하고, 다시 일정 시간 같은 온도에 노출시키는 과정을 반복하는 과정인데요. 이 과정에서 금속에는 마치 계단과 같은 구조인 미사면(vicinal surface)이 생깁니다.

각종 분석장비로 관찰한 단결정 h-BN의 모습. 출처: 기초과학연구원
각종 분석장비로 관찰한 단결정 h-BN의 모습. 출처: 기초과학연구원

2차원 h-BN은 구리(110) 기판 위에서 미사면을 얇게 코팅하듯 적층성장 (Epitaxial growth)한다. 질소(N)와 붕소(B) 원자가 미사면의 계단 모서리에 순서대로 놓이며 성장합니다. 연구진은 최종적으로 구리(110) 기판과 동일한 면적 100㎠ 의 대면적 2차원 단결정 h-BN을 성장시키는 데 성공했습니다.  원자간력현미경 (AFM), 주사터널링현미경(STM) 등 각종 분석 장비를 활용한 분석 결과, 제조된 h-BN의 원자 배열이 규칙적이고 배향 역시 일정함을 확인했다고 합니다.

 

앞으로의 전망

이번 연구를 이끈 펑딩 IBS 다차원 탄소재료 연구단 그룹리더와 레이닝 장 연구원의 모습. 출처: 기초과학연구원
이번 연구를 이끈 펑딩 IBS 다차원 탄소재료 연구단 그룹리더와 레이닝 장 연구원의 모습. 출처: 기초과학연구원

IBS 그룹리더인 펑딩 박사는 "2차원 소재는 그 자체로도 우수하지만, 여러 소재를 층층이 쌓아 함께 사용했을 때 시너지 효과를 낸다"며 "실리콘 이후 차세대 반도체 시장의 문을 연 것으로 지금껏 상상하지 못했던 새로운 물성을 전자기기를 구현하는 데 기여할 것"이라고 말했습니다.

 

##참고 자료##

 

  • Epitaxial Growth of 10×10㎠ Single-crystal Hexagonal Boron Nitride Monolayer on Copper 
     


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