[스크랩] 그래핀 기술현황

1946년 세계 최초의 컴퓨터 에니악은 1만8천개의 진공관으로 이루어져 135㎡의 공간을 차지했지만 현재 휴대용 계산기 수준의 연산만이 가능했다. 이후 실리콘 기반의 트랜지스터가 등장하면서 집적도와 처리속도, 저장용량 면에서 해마다 비약적인 발전이 거듭되어 왔고 인류의 문명을 IT 산업 중심으로 바꾸어 놓았다. 그 중심에는 메모리 분야의 기술을 선도했던 한국의 반도체 산업이 있었고, 지난 20여 년간 국가 성장동력의 핵심적인 역할을 감당해왔다.

양자역학으로 예측됐던 꿈의 소재가 현실로

 그러나 최근 CPU와 메모리의 동작 속도가 큰 변화를 보이지 않고 있는 점에서 볼 수 있듯이 실리콘 소자를 이용한 반도체 기술은 한계점에 도달했다. 그동안 한 발 앞선 기술 개발과 양산을 통해 우위를 점유했던 국내 반도체 업계로서는 기존 기술의 한계를 극복할 수 있는 새로운 패러다임의 기술 개발이 절실한 상황이다. 이를 위해서는 발열량이 작고 전자 이동도가 크면서도 가공이 용이한 대체 물질이 필요하며 그 중 가장 대표적인 후보가 바로 그래핀(graphene)이다.

▷ 그래핀의 육각형 평면구조

흑연을 뜻하는 ‘graph-’와 평면 구조를 이루는 탄소의 이중결합을 지칭하는 ‘-ene’에서 유래된 이름에서 추측할 수 있듯이 그래핀은 탄소가 서로 연결되어 벌집 모양의 평면 구조를 이루는 물질이다. 그 두께가 불과 원자 한 층에 불과하면서도 구조적, 화학적으로 매우 안정하며 양자 역학적 특성으로 인해 매우 뛰어난 전기적, 기계적 성질을 보일 것으로 기대되어 왔다. 뿐만 아니라, 나노구조 크기 및 모양, 배향성에 따라 도체와 반도체 성질을 자유자재로 조절할 수 있고 복잡한 공정 없이 매우 간단한 패터닝을 활용, 고성능․고집적 반도체 소자를 제작할 수 있다는 가능성이 제시되었다.

 2004년 흑연으로부터 그래핀을 분리하는 방법이 발견되면서 이러한 예측들이 하나 둘 실험적으로 확인되었고 지난 수년간 전 세계의 과학자들을 열광시켰다(표1). 그 중심에 한국인 과학자(미 컬럼비아대 김필립 교수)가 있다는 것은 참 다행스러운 일이지만, 국내 그래핀 관련 연구는 지난해 비로소 소규모 국가과제가 시작되었을 정도로 아직 초기단계이며 미국, 일본, 유럽 등에 비해 뒤쳐져 있는 상황이다.

고품질 대면적 그래핀 박막 합성 기술 개발

 그래핀은 2차원 나노구조에서 전자의 유효질량이 0에 가깝게 되는 양자역학적 특성으로 인해 실리콘보다 100배 이상 빠르게 전자를 이동시킬 뿐 아니라 구리보다도 100배 많은 전류를 흐르게 할 수 있다. 열전도도도 매우 높을 뿐 아니라 다이아몬드보다도 강한 인장강도를 지닌 것으로 밝혀졌다. 구조 배향에 따른 반도체 성질과 탄소가 가지는 화학결합의 다양성을 이용하면 광범위한 기능성 소자의 제작도 가능하다. 그러나 흑연에서 그래핀을 추출하는 방법으로는 마이크로미터 이상의 크기를 얻기 어렵기 때문에 화학적 합성을 통해 반도체 공정에 적용 가능한 웨이퍼 크기 이상의 그래핀 박막을 합성하기 위한 다양한 노력이 지속되어 왔다.

                      <최근 그래핀 관련 해외 주요연구개발 현황>

	합성 및 패터닝	물성측정	물성계산	기능소자
2005	英 멘체스터大 ☞스카치 테이프를 이용해 흑연으로부터 단분자층 그래핀 분리 美 컬럼비아大 ☞AFM 팁 끝에 터닝된 흑연 결정을 부착한 후 기판에 옮김	英 멘체스터大 美 컬럼비아大 ☞그래핀 단원자층에서 분수 양자홀 효과 측정
2006	獨 프리츠하버 연구소 ☞SiC 기판위 그래핀 합성법 및 성질변환 美 노스웨스턴大 ☞그래핀 복합재료 합성	英 멘체스터大 美 컬럼비아大 ☞고자기장하 상온에서 양자홀 효과 측정 英 캠브리지大 ☞라만 분광법을 이용한 단원자층 분석법 제시	美 UC버클리大 ☞그래핀 나노 리본이 전기장 하에서 반금속 성질을 보임을 이론적으로 계산
2007	美 컬럼비아大 ☞전자빔 식각법에 의한 그래핀 나노리본 구조 패터닝 美 노스웨스턴大 ☞그래핀 산화물의 합성과 분석	美 컬럼비아大 ☞나노리본 구조의 너비에 따라 반도체 성질을 제어 가능함을 밝힘 和-고등물성연구소 ☞그래핀을 통한 전자 스핀 수송현상을 측정 美 조지아工大 ☞그래핀 표면에서 전자의 산란과 간섭을 STM으로 확인	美 UC버클리大 ☞그래핀 나노 리본의 너비에 따른 반도체성질 변환 예측 英 멘체스터工大 ☞local gate을 이용한 그래핀 p-n 접합에서의 양자홀 현상을 이론적으로 예측	英 멘체스터大 ☞그래핀의 가스분자 흡착과 전도도 변화를 이용 고성능 가스센서 제작 美 컬럼비아大 ☞나노구조와 상부 게이트를 이용한 트랜지스터 제작 英 IBM 외 ☞그래핀 소재 전계 효과 트랜지스터 시제품 발표 美 코넬大 ☞그래핀을 이용한 Electromechanical Resonator 제작
2008	美 스탠포드大 ☞열처리한 흑연에 초음파를 가함으로써 수십nm 너비의 그래핀 나노리본 제작 美 UCLA 외 ☞그래핀의 용액상 분산법에 대한 기술 개발	和-Delft 大 외 ☞두층 그래핀의 전기장에 따른 도체-부도체 성질 제어 효과 측정 美 UC버클리大 ☞그래핀의 전기장에 따른 광학전이 에너지 변화 측정	佛 CEA 외 ☞그래핀의 단일 결함에 의한 전자구조 변화 계산	英 멘체스터大 ☞그래핀 양자점 소자 제작
2009	韓 성균관大 외 ☞고품질 그래핀의 대면적 합성	日 AIST ☞그래핀 가장자리 미세구조의 전자현미경 분석	美 오하이오大 ☞suspended 그래핀의 부도체 특성 예측	英 멘체스터大 ☞그래핀의 수소화 반응을 이용한 소자 美 컬럼비아大 ☞그래핀 양자 이방구조소자

 그래핀 조각의 자기조립 현상을 이용하여 그래핀 필름을 형성하는 기술은 크기 및 비용 측면에서는 의미가 있었지만 작은 조각 사이의 약한 결합력과 접촉저항 때문에 전기적․기계적 성질이 기대에 미치지 못했다. SiC 등의 기판에서 에피택시 성장하는 경우는 매우 결정성이 좋고 층수가 균일한 그래핀 박막을 합성할 수 있다는 장점이 있지만 박막의 분리 및 소자제작이 어렵고 제조 단가가 너무 높다는 단점이 있었다.

최근 성균관대학교가 삼성전자와 공동으로 개발에 성공한 화학증기증착법에 의한 그래핀 합성 및 패터닝 기술은 고품질 대면적 그래핀 박막을 매우 간단하게 합성하고 응용하는 새로운 방법을 제시하였다는 점에서 의미가 크다. 앞으로 국내외 그래핀 관련 실용화 연구를 더욱 가속화할 것으로 기대된다.

그래핀의 또 다른 매력, 투명함과 유연함

 

▷ 성장된 대면적 그래핀

▷ 그래핀 전극이 접히는 장면

지난 수십 년간 전자기기 및 IT 산업의 발달은 좀 더 빠르고 용량이 많은 방향으로 이루어져 왔고, 웬만한 도서관에 있는 책들의 내용을 메모리칩 한 개에 저장하고 영화 한편 분량의 데이터를 수초 만에 전송하는 시대가 도래했다. 하지만 근래에 이르러 그 패러다임이 용량, 속도보다는 사용하고 휴대하기 편리한 방향으로 변화하고 있다. 언제 어디서나 인터넷에 접속하는 기술이나 몸에 착용할 수 있는 플렉시블 컴퓨터․디스플레이 등이 그 예라고 할 수 있다. 그러나 기존 실리콘 기반 반도체나 전극은 조금만 변형하여도 깨진다는 단점이 있고, 이를 극복하기 위해서는 유연하면서도 투명한 전극의 개발이 필요하다.

 한편, 최근 급격히 늘어난 평판 디스플레이의 수요로 인해 세계 투명전극 시장은 향후 10년 안에 20조 원 대로 성장할 것으로 예상된다. 디스플레이 산업이 발전한 우리나라의 특성상 해마다 국내 수요도 수천억 원에 이르지만 원천기술의 부족으로 대부분 수입에 의존하고 있다. 대표적인 투명전극인 ITO는 디스플레이, 터치스크린, 태양전지 등에 광범위하게 응용되고 있지만 최근 인듐의 고갈로 인해 단가가 크게 상승하였다. 2000년대 초반 ㎏당 100달러 수준이던 인듐 원자재 가격이 현재 그 열배인 1천달러 수준에 육박하고, 환율 문제까지 겹치면서 ITO 대체 물질의 개발이 어느 때보다도 절실한 상황이다.  또한 깨어지기 쉬운 ITO의 특성으로 인해 접거나 휘거나 늘릴 수 있는 차세대 전자제품에의 응용이 큰 제약을 받아왔다. 이에 반해 그래핀은 뛰어난 신축성, 유연성 및 투명도를 동시에 가지면서도 상대적으로 간단한 방법으로 합성 및 패터닝이 가능하다는 장점이 있다. 이러한 그래핀 투명전극은 향후 대량 생산기술 확립을 통해 수입대체 효과 뿐 아니라 차세대 플렉시블 전자산업 기술 전반에 혁신적인 파급을 미칠 것으로 예상된다.

출처 : http://blog.daum.net/mwwm

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