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가장 얇은 물질… 강철보다 200배 단단… 손목 휴대폰·접히는 모니터 멀지 않다
●꿈의 신소재 '그래핀' 전성시대
두께가 0.35 나노미터… 열전도율은 구리의 100배
2004년 영국서 첫 분리
기술확보땐 부가가치 막대… 미·유럽서 적극투자 진행
한국 정부도 2100억 투자 본격 상용화 박차
옷처럼 입는 컴퓨터 등 영화에서만 보던 세상 눈앞
그래핀(Graphene)은 흑연에서 벗겨낸 한 겹의 탄소 원자 막으로서 원자들이 6각형 벌집구조로 결합된 나노소재다. 두께가 탄소 원자 하나, 즉 0.35나노미터(㎚)에 불과한 세상에서 가장 얇은 물질이지만 강도가 강철의 200배나 되는 세상에서 가장 강한 물질이다. 또한 전자 이동도가 실리콘의 140배, 열전도율과 허용 전류 밀도는 각각 구리의 100배와 1,000배에 달한다.
얇고 강하기로는 둘째가라면 서러워할 원통형 탄소나노튜브(CNT)를 평면으로 펼쳐 놓은 모습으로 CNT의 탁월한 전기적·물리적 특성을 지니면서 두께와 투명도는 CNT보다 뛰어나다.
특히 CNT와 달리 늘리거나 구부려도 전기적 성질이 변하지 않으며 제어도 상대적으로 용이하다. 때문에 플렉시블 디스플레이, 터치스크린, 초고속 반도체 소자, 고효율 태양전지, 투명전극, 웨어러블 컴퓨터 등 다양한 전자·반도체 산업 분야에서 활용이 가능한 꿈의 소재로 불린다. 산업적 활용도에서 지금껏 인류가 발견한 물질 중 단연 최고다.
상용화가 이뤄지려면 대량 생산 등 아직 해결해야 할 기술적 난제들이 산적해 있지만 우리나라는 그래핀의 응용·기술 연구에서 가장 활발한 성과를 도출해 내고 있어 향후 관련시장을 선도할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
6,000억 달러 시장
그래핀은 지난 2004년 영국 맨체스터 대학의 안드레 가임 교수팀이 처음 분리에 성공하면서 화려한 등장을 알렸다. 이후 소재로서 지닌 탁월한 전기적, 물리적, 화학적 특성이 실험을 통해 밝혀지며 학계와 산업계의 이슈로 떠올랐다.
전문가들은 그래핀으로 제조된 터치스크린 화면이 스마트폰 디스플레이에 접목되는 것을 신호탄으로 반도체와 신재생 에너지 분야로 점차 응용 영역이 확대될 것으로 예견하고 있다. 태양전지의 경우 현재 주류를 이루고 있는 1세대 단결정 실리콘 전지 등을 대체할 차세대 소재로 각광받고 있으며 휴대폰과 전동차에 활용되는 리튬이온전지에 그래핀 전극이 채용되면 충전시간의 대폭적인 단축이 가능하다.
시장조사기관들에 의하면 글로벌 그래핀 시장규모는 오는 2015년경 투명전극과 복합소재 등을 중심으로 300억 달러를 형성하고 2020년 900억 달러, 2030년 약 6,000억 달러 등 매년 괄목할 만한 성장세를 나타낼 것으로 전망된다.
현재 고품질의 그래핀 대량생산 기술의 개발에 성공한 곳은 전무하지만 관련기술이 확보되기만 하면 시장선점에 따른 막대한 부가가치를 창출할 수 있다.
이 점에 주목해 미국, 유럽을 필두로 세계 각국에서 그래핀의 상용화를 위한 연구개발에 적극적 투자를 단행 중이다. 일례로 미국은 국립과학재단(NSF)을 주축으로 최근 5년간에만 2,800만 달러를 투자했고, 펜타곤 산하 방위고등연구계획국(DARPA)도 올해까지 3,000만 달러를 쏟아 붓고 있다.
이는 우리 정부도 크게 다르지 않다. 얼마 전 2,100억원 규모의 '그래핀 소재·부품 상용화 기술개발사업'을 추진하는 등 본격적인 그래핀 상용화에 드라이브를 가하고 있다. 또한 이미 한국전기연구원, 한국기계연구원, 한국전자통신연구원, 한국화학연구원, 한국과학기술원(KAIST), 성균관대학 등 다수의 정부출연연구기관과 대학, 산업체업들이 연구에 뛰어든 상태다. 이들은 그래핀 결정 규명, 구조 해석, 관찰 신기술 등의 연구성과를 내면서 응용연구의 토대를 구축하고 있다. 덕분에 우리나라는 그래핀 응용·기술 연구에 있어 가장 활발한 성과를 도출하는, 그래핀 상용화에 가장 근접한 국가라는 대내외적 평가를 받고 있다.
실제로 그래핀 분야의 세계적 석학인 김필립 컬럼비아대학 교수는 세계 최초로 그래핀의 전기적 특성을 해석, 반도체와 투명전극 등으로의 응용을 위한 기초 이론을 제공했다.
또 삼성테크윈은 성균관대와 공동으로 화학증착방식 기술을 적용해 전도성을 향상시킨 30인치(76.2㎝)급 대면적 그래핀의 합성에 성공했다. 포스코와 한화케미칼의 경우 미국 탄소 나노소재 전문 연구기업 XG사이언스의 지분을 인수, 각각 최대주주와 2대주주로서 그래핀 응용소재 개발 연구에 착수했다.
더욱이 한국전기연구원 나노융합기술연구센터 이건웅 박사팀은 그래핀 대량제조 기술을 개발, 산업체에 기술이전을 완료하고 상용화에 박차를 가하고 있다. 이 박사팀의 기술은 기존 화학기상증착 방식이 아닌 습식 공정 기반의 화학적 흑연 박리법을 적용, 고효율의 그래핀을 대량 제조하는 혁신적 기술로 평가된다.
연구팀은 이렇게 생산된 그래핀이 탄소나노튜브-그래핀 혼성 투명전극, 플렉시블 디스플레이, 태양전지 등에 활용될 수 있으며 기술인전 및 상용화를 통해 향후 5년간 2,000억원의 제조원가 절감과 420만 달러의 수입대체효과를 기대하고 있다. 기술을 이전받은 나노분야 전문기업 상보는 정전용량 방식 투명전극 필름, 태양전지 및 연료전지, 플렉시블 디스플레이 전극 소재 등을 상용화해 5년간 6,000억원의 매출을 달성한다는 계획이다.
투명전극 활용도 급증 전망
그동안 터치스크린용 투명전극 등 각종 평판 디스플레이의 투명전극 소재에는 희귀금속 중 하나인 산화인듐주석(ITO)으로 코딩을 해야 했다. 하지만 ITO는 가격이 비싸고, 전량수입에 의존하고 있으며, 수요 대비 공급부족 현상이 나타나 새로운 대체소재 개발이 요구되고 있다. 그래핀이 바로 이에 부합하는 소재다.
이와 관련 성균관대 안종현 교수팀과 한국기계연구원 이학주 박사팀은 올 2월 '그래핀 유연투명전극용 폴리머 박막' 개발에 성공했다고 밝혔다. 폴리머 박막은 그래핀이 고온다습한 환경에서 전기 전도도가 떨어지고 가벼운 마찰에 의해서도 전극이 쉽게 파괴되는 단점을 보완한 일종의 보호필름이다.
이번에 개발된 폴리머 박막은 그래핀 표면에 30㎚ 두께로 균일하게 자외선을 코팅한 것으로서 높은 온도와 습도, 마찰에도 그래핀이 오랫동안 우수한 전기 전도도를 유지할 수 있도록 해준다. 이 박사는 "그래핀의 다양한 응용분야 가운데 유연투명전극이야말로 가장 시장성이 높은 분야"라고 설명했다.
KAIST 조병진 교수팀은 금속 위에서 합성된 대면적 그래핀의 실용화를 위한 최대 걸림돌로 꼽히는 친환경 그래핀 분리기술을 개발했다. 지금까지는 촉매 금속 위에서 합성된 대면적 그래핀의 경우 그래핀을 금속과 분리하기 위해 화학약품을 사용했다. 그러나 이 방법은 금속의 재활용이 불가하고 생산단가가 높다. 또한 다량의 유해 폐기물이 발생하기도 한다.
이에 연구팀은 그래핀과 구리 사이의 접착력을 측정하고, 이보다 더 강한한 접착력을 지닌 유기판을 그래핀에 붙여 구리와 분리하는 방법을 창안했다. 또 분리된 그래핀을 다른 기판에 전사하지 않고, 그 위에 곧바로 전자소자를 제작하는 데 성공, 기존 그래핀 생산단계를 획기적으로 줄였다.
우수한 특성을 갖는 그래핀 제조를 위해서는 그래핀 결정면의 영역과 경계를 쉽고 빠르게 관찰해야 한다. 그래야만 그래핀의 물성을 크게 향상시켜 상업화할 수 있다.
대면적 그래핀 특성평가 성공
이를 위해 KAIST 생명화공과 정희태 교수팀은 그래핀의 결정면을 간편하고, 대면적으로 관찰할 수 있는 신기술을 개발했다. LCD에 사용되는 액정의 광학적 특성을 이용, 그래핀 단결정의 크기와 모양을 대면적에 걸쳐 쉽고 빠르게 시각화할 수 있도록 한 것. 또한 이런 시각화를 바탕으로 단결정에서 얻을 수 있는 이론값에 가장 가까운 전기 전도도를 직접 측정하는 데 성공했다.
이 기술을 활용하면 그래핀 결정면의 영역과 경계를 한층 쉽고 빠르게 관찰할 수 있어 투명전극, 플렉시블 디스플레이 등 다양한 전자소자 응용연구에 활용성 높다. 정 교수는 "이번 연구는 세계 최고의 액정 배향 제어기술을 토대로, 대면적에 걸쳐 그래핀의 결정면을 쉽게 관찰할 수 있는 방법을 제시했다는 점에 큰 의미가 있다"고 강조했다.
덧붙여 한국전자통신연구원 그래핀소자창의연구실 김진태 박사와 KAIST 전자공학과 최성율 교수는 그래핀 기반의 플라즈몬 광도파로 소자를 공동 개발하기도 했다.
두 박사는 반도체 특성을 갖는 그래핀의 전도도는 화학적 도핑, 전기장, 자기장 그리고 게이트 바이어스 전압 조절 등을 통해 변화시킬 수 있어 기존의 금속이 갖는 한계를 극복하는 신개념 광전자로 소자를 개발할 수 있는 무한한 가능성을 갖고 있다고 설명한다.
이번에 개발한 그래핀 광도파로 기술은 이론적으로만 연구되고 있었던 그래핀을 통한 광도파로 특성을 실험적으로 증명한 것이다. 특히 그래핀을 통한 광통신 성능을 확인함으로써 그래핀 광도파로를 기존의 반도체 소자와 결합, 광통신 및 전기통신이 동시에 가능한 차세대 광 반도체 융합 신소자로서의 개발 가능성을 크게 열었다는 평가다.
삼성, 지금보다 100배 빠른 '그래핀 반도체' 개발
실리콘 한계 넘는 획기적 기술, 사이언스 온라인판 논문 게재
차세대 반도체 시장도 선도
삼성전자가 탄소 소재인 '그래핀'을 이용해 반도체 성능을 지금보다 최대 100배 높일 수 있는 원천기술 개발에 성공했다. 앞으로 반도체 성능을 획기적으로 개선하는 새로운 접근법과 돌파구를 제시했다는 점에서 주목받고 있다. 그래핀 반도체가 나오면 컴퓨터에서 프로그램을 실행하고 복잡한 계산작업을 할 때 오래 기다릴 필요 없이 순식간에 데이터 처리가 이뤄진다.
삼성전자 종합기술원은 수년간의 연구 끝에 그래핀을 활용한 새로운 반도체 설계 구조 개발에 성공해 미국의 과학 학술지 '사이언스' 온라인판에 논문을 게재했다고 18일 밝혔다. 국내 학자들의 연구가 권위있는 학술지인 사이언스에 게재된 적은 많지만 기업 연구소의 논문이 채택된 것은 이례적이다.
▲ 삼성종합기술원 정현종(왼쪽), 박성준 전문연구원이 반도체 성능을 100배 이상 높일 수 있는 ‘꿈의 신소재’ 그래핀 모형을 들어보이고 있다. /뉴시스
업계에선 그동안 반도체를 실리콘이라는 소재로 만든 뒤 이를 바탕으로 데이터 처리 속도나 생산성을 높이려는 노력을 해왔다. 가령 실리콘으로 만든 반도체 원판을 가공할 때 미세한 가공 기술을 사용해 더 많은 회로를 집어넣는 방식이었다. 하지만, 몇 년 전부터 새로운 가공 방안들이 연구되기 시작했다.
결국 업체들은 실리콘을 대체할 다양한 소재를 찾기 시작했다. 그중 하나가 그래핀이다. 그래핀은 반도체에서 빠르게 데이터를 처리할 수 있도록 해주는 뛰어난 물리적 특성을 갖고 있다.
그래핀은 반도체를 만드는 재료로서 적합하지 않은 결정적 약점도 갖고 있었다. 전기를 지나치게 잘 흘리는 것이 문제였다. 이는 전류의 흐름과 차단을 수시로 반복해야 하는 반도체 소재로서 어울리지 않는 결정적 하자였다.
미국 스탠퍼드대 화학공학 박사 출신의 박성준(41) 전문연구원이 이끄는 삼성전자 종합기술원 연구진은 지난 2009년부터 3년 넘는 연구 끝에 해결책을 찾아냈다.
실리콘과 그래핀을 결합시키는 과정에서 '배리스터'라고 이름 붙인, 독특한 그래핀 결합 방법을 개발해낸 것이다. 삼성전자 연구진이 장벽(barrier)이라는 단어에서 따 붙인 말로, 별도의 설계를 통해 실리콘과 그래핀이 닿아 있는 부분에서 형성되는 에너지 장벽의 높낮이를 조절함으로써 전류 흐름과 차단이 번갈아 일어나도록 하는 방식이다.
빠른 데이터 처리 속도라는 그래핀의 강점을 살리면서도, 원하는 대로 전류의 흐름과 차단을 반복하는 반도체를 개발한 것이다. 연구에는 서울대 물리학 박사 출신의 정현종 전문연구원(38) 등 10여 명의 전문연구원이 함께했다.
박성준 전문연구원은 "그래핀 소자 연구의 핵심 난제(難題)를 해결했다는 점에서 의미가 크다"며 "그래핀 반도체 상용화는 10년 뒤쯤 가능하겠지만 앞으로 관련 분야를 선도할 수 있는 큰 기반을 구축한 셈"이라고 밝혔다.
그래핀, 반도체 속도를 부탁해!
삼성전자, 그래핀 소재 활용한 트랜지스터 개발
삼성전자 종합기술원이 ‘꿈의 소재’ 그래핀을 활용해 처리속도가 빠른 반도체를 만들었다.
기술원은 실리콘 기판 위에 그래핀을 결합한 형태의 트랜지스터 ‘배리스터(Barristor)’를 만들었다고 18일 밝혔다. 이번에 개발한 기술을 적용하면 트랜지스터 소자의 속도가 지금보다 훨씬 빨라질 것으로 기대된다.
반도체에는 실리콘으로 만든 트랜지스터가 수십억 개 들어 있다. 반도체의 성능을 높이기 위해서는 이 트랜지스터의 크기를 줄여 전자의 이동 거리를 좁히거나 전자의 이동도가 높은 소재를 사용해 전자가 빠르게 움직일 수 있도록 해야 한다.
문제는 실리콘으로 만든 반도체의 경우, 크기를 줄이기가 어렵고, 전자 이동이 손쉽게 하기 위해서 그래핀을 활용하면 전류를 차단하기 힘들어진다.
실리콘 기판에 그래핀을 접합해 만든 그래핀 트랜지스터.
에너지 장벽(Schottky Barrier)을 조절해 그래핀의 전류를 차단할 수 있도록 만들었다. 삼성전자 제공
연구팀은 실리콘 기판에 그래핀을 결합할 때 생기는 에너지 장벽(Schottky Barrier)의 전위차를 조절해 전류를 켜고 끌 수 있게 만들었다. 실리콘 기판에 일반 금속을 접합하면 에너지 장벽이 일정해 반도체로 활용할 수 없지만 그래핀을 접합할 경우 에너지 장벽을 조절할 수 있다는 점에 착안한 것이다.
기술원 관계자는 “2020년 쯤 그래핀 트랜지스터가 상용화될 수 있을 것으로 보인다”며 “이번 연구로 그래핀 소자 연구 분야를 선도할 수 있는 기반을 구축했다는 의의가 있다”고 밝혔다.
이 연구는 17일자 ‘사이언스’에 실렸다.
삼성전자, '그래핀'을 활용 새로운 트랜지스터 구조 개발
세계적 권위의 국제 학술지 사이언스誌 온라인판 17일자 게재
삼성전자 종합기술원이 실리콘을 대체할 ‘꿈의 신소재’인 그래핀을 활용하여 새로운 트랜지스터 구조를 개발했다.
이는 기존 실리콘의 한계를 극복하고 미래 트랜지스터 개발 가능성을 한단계 높인 것으로 평가되며 세계적 권위의 학술지인 사이언스誌 온라인판에 미국 현지 시간 17일자로 게재됐다.
반도체에는 실리콘(Si) 소재의 트랜지스터가 수십억 개씩 들어 있으며 반도체 성능을 높이려면 트랜지스터의 크기를 줄여 전자의 이동 거리를 좁히거나 전자의 이동도가 더 높은 소재를 사용해 전자가 빠르게 움직이게 해야 한다.
이에 따라 높은 전자 이동도를 갖고 있는 그래핀은 실리콘을 대체할 물질로 각광받아 왔으나, 그래핀이 금속성을 지니고 있어 전류를 차단할 수 없다는 점이 문제점으로 지적되어 왔다.
트랜지스터에서는 전류의 흐름과 차단으로 디지털 신호인 ‘0과 1’을 나타내므로 그래핀을 실리콘 대신 사용하기 위해서는 반도체화 하는 과정을 거쳐야만 한다. 그러나 이 과정에서 그래핀의 이동도가 급감하므로 그래핀 트랜지스터에 대한 회의적인 시각이 많았다.
이번에 삼성전자 종합기술원은 새로운 동작원리를 적용하여 그래핀 자체를 변화시키지 않으면서 전류를 차단할 수 있는 소자를 개발했다. 즉, 그래핀과 실리콘을 접합하여 쇼키 장벽(Schottky Barrier)을 만들고 이 장벽의 높이를 조절하는 방법으로 전류를 켜고 끌 수 있게 한 것이다.
장벽(Barrier)를 직접 조절한다는 의미에서 삼성전자는 새로운 소자를 ‘배리스터(Barristor)’로 명명했다.
또한 디지털 신호인 ‘0’ 또는 ‘1’ 을 상호 변환하는 가장 기본적인 회로인 인버터 등을 제작하여 기본 연산(덧셈)을 구현했다.
이번 논문을 통해 삼성전자는 그래핀 소자 연구의 최대 난제를 해결함으로써 추후 연구에 새로운 방향을 제시했고 관련 분야를 선도할 수 있는 기반을 구축한 것으로 평가되고 있다.
현재 삼성전자는 기술원은 그래핀 트랜지스터의 동작방식과 구조와 관련한 핵심 특허 9건을 확보하고 있다.
[용어 설명]
- 쇼키 장벽(Schottky Barrier):
독일 물리학자인 쇼키가 발견한 금속과 반도체가 만나는 접합에서 생기는 에너지 장벽으로 전하가 금속에서 실리콘으로 흐르는 것을 방해하는 역할을 함. 일반적인 금속-반도체 접합의 경우 일함수(Work Function)와 쇼키 장벽의 높이가 고정되지만 그래핀의 경우 일함수 조절을 통해 쇼키 장벽을 조절할 수 있음
- 일함수(Work Function):
물질에서 전자 하나를 빼내는 데 필요한 최소 에너지
/ 아이티 뉴스.
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