그래핀 반도체 활용 확실하게 알려드리겠습니다!

 

 

그래핀 반도체 활용에 대해 확실하게 알려드리겠습니다.

 

2010년 노벨상까지 이끌어 낸 꿈의 신소재 그래핀.

세계적으로 내로라하는 많은 대기업에서 공격적으로 연구하고 있는 물질이기도 합니다.

 

이번 포스팅에서는

그래핀이 꿈의 소재라고 불리는 이유와

그래핀의 응용가능한 소재 분야,

그래핀관련 우리나라 최신 연구 동향까지 알아보도록 하겠습니다.

 

이번 글 끝까지 보시고 좋은 정보 얻어가시길 바라겠습니다.

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1. 그래핀이란?

 

그래핀은 탄소 원자로 만 이루어진 탄소 동소체의 한 종류입니다.

탄소 동소체를 살펴보면 다이아몬드, 흑연, 그래핀, 탄소나노튜브, 플러렌 등을 들 수 있습니다.

 

 

그중에서 그래핀은 가장 최근에 발견되었으나, 사실은 가장 기초적인 물질이라고 할 수 있습니다.

 

예를 들어 탄소 고리가 옆으로 연결되어 원자 한 층으로 이루어져 있는 그래핀을 종이 한 장으로 비유하자면 그 종이들이 차곡차곡 쌓여 이루어진 것이 흑연입니다. 거꾸로 말하자면 흑연에서 한 층만을 벗겨낸 것이 그래핀입니다.

 

실제로 2010년에 노벨상을 받은 안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프 박사팀이 그래핀을 최초로 발견한 것은 스카치테이프로 흑연에서 그래핀 층을 벗겨낸 것이었습니다.

 

 

흑연은 연필심을 보면 알 수 있듯이 검은색이지만, 그래핀은 무색입니다. 흑연이 검은 이유는 그래핀 여러 장이 겹쳐있기 때문이며, 연필로 글씨를 쓰면 검게 나오는 이유는 흑연 여러 겹이 같이 벗겨지기 때문입니다.

원통형으로 말린 그래핀이 탄소나노튜브이고 공처럼 둥글게 말린 것이 플러렌입니다.

그래핀은 이중결합의 육각형 고리가 옆으로 차곡차곡 이어져 있어 보통 평면으로 알려져 있지만 실제로는 주름이 생기거나 둥글게 말리기도 하고, 기상증착 방법으로 합성하면 오각형, 육각형, 칠각형 등의 고리가 일부 만들어지기도 하는 것으로 알려져 있습니다.

그래핀 가장자리의 화학적 기능기들

 

그래핀은 탄소로만 이루어진 물질이라고 알려져 있지만 구조적으로 가장자리에는 탄소 원자가 존재할 수 없으며, 수소 원자가 붙어있거나, 히드록시기나 카르복실기, 아민 등의 다른 여러 가지 기능기가 붙어있을 수 있습니다. 다양한 기능기가 붙어있으면 다른 물성을 나타내므로 그래핀 소재화에 방해가 될 수도 있고 역으로 이것을 인위적으로 잘 이용하면 원하는 기능을 구현해 낼 수도 있습니다.

 

 

2. 꿈의 소재라 불리는 이유

그래핀은 다른 소재에 비하여 뛰어난 전자이동도, 낮은 저항 및 기계적 물성 등의 고유 특성들을 가지고 있습니다.

이를 알기 쉽게 표현하면 아래와 같습니다.

 

첫 번째로 그래핀은 구리보다 전기 전도율이 100배 이상 좋습니다.

전기 전도율은 얼마나 전기가 잘 통하는지를 보여 주는 것입니다. 일반적으로 전기가 가장 잘 통하는 금속으로 알려진 것은 은이지만 값이 비싸기 때문에 주로 구리를 이용해 전선을 만듭니다. 즉 그래핀으로 전선을 만들면 구리보다 100배나 더 효율적이라는 뜻입니다.

 

두 번째로 그래핀은 다이아몬드보다 열이 더 잘 전달됩니다.

아름다우면서 값비싼 다이아몬드는 자연계에 존재하는 여러 물질 중에서 열전도율이 가장 높은 것으로 알려져 있습니다. 그래서 전자 제품에 쓰이는 반도체에서 발생하는 열을 방출하는 역할을 하는 데 최고의 물질이지만 그래핀은 이런 다이아몬드보다도 열전도율이 2 배나 더 높습니다.

 

마지막으로 그래핀은 강철보다 단단합니다.

잘 부서지지 않고 단단한 강철은 일상생활에서 매우 다양하게 이용됩니다. 그래핀은 강철보다 200배나 더 단단하며 탄성이 매우 좋아서 휘고, 구부려도 부러지지 않는 최고의 소재입니다.

 

 

3. 그래핀의 응용 가능한 소재 분야

그래핀의 특장점을 이용하면 다양한 소재로 활용이 가능합니다.

 

그래핀은 에너지 밴드갭(반도체 내 전류를 흐르게 하는데 필요한 최소의 에너지값)이 없어서 반도체 성질은 없지만, 나노리본 형태로 만들거나 기능기 등을 붙일 경우 반도체 특성을 만들어 낼 수도 있으므로 차세대 반도체 소재로 사용이 가능합니다.

 

전기전도도가 좋은 특성을 이용하여 각종 태양전지의 투명전극에 이용 가능하며, 그밖에 방열소재, 센서, 초경량 복합소재 등에 적용이 연구되고 있습니다.

 

 

 

4. 그래핀 산업화를 위한 기술적 해결과제

 

그래핀 소재의 생산과 산업적 응용을 위해서 해결과제는 여러가지가 있겠지만, 크게 다음 3가지로 볼 수 있습니다.

 

경제적이고 일관성 있는 고품질 그래핀의 대량 합성 기술 개발 필요,

산업적 기술 적용이 가능한 그래핀의 가공 및 기능화 기술 개발 필요,

그래핀 소재 및 응용 및 가공 소재 품질과 특성을 구현하고 적용하는 방법 개발 등의 기술적인 문제가 먼저 해결되어야 합니다.

 

 

 

 

5. 우리나라 최신 연구 동향

 

[그래핀기반 초고주파수 신호전송속도가 향상된 차세대 반도체 핵심기술 개발, 2019년 5월]

 

반도체 집적회로에 일종의 ‘고속도로’를 깔아 신호의 전송 속도를 높인 신개념 반도체 소재 기술이 개발됐습니다.

두께는 수백 분의 1 수준으로 얇으면서도 신호 전송을 방해하던 저항은 60% 줄고 전하량은 20배 증가했습니다. 최근 중요성이 강조되는 고주파 신호를 전달하는 효율이 높아 차세대 통신 소자와 고속반도체 개발에 도움이 될 것으로 기대되는 기술입니다.

장재은 대구경북과학기술원(DGIST) 정보통신융합전공 교수와 양재훈 연구원팀은 탄소 원자를 얇은 막 형태로 합성한 2차원 신소재인 그래핀을 반도체 회로에 깔아 기존 금속 선로보다 많은 양의 전자를 빠르게 운송하는 반도체용 신호 전송 선로를 개발했다고 밝혔습니다. 

연구팀은 최근 반도체가 부딪힌 집적화, 고속화의 한계를 극복하기 위해 연구를 시작했습니다.

반도체 내에 많은 소자가 집적되면서, 소자 사이의 신호를 전송하는 일종의 ‘길’인 금속 재질의 선로에 저항이 기하급수적으로 증가하는 문제가 발생했습니다. 오래된 마을이 재개발되며 고층건물이 들어섰는데, 길은 옛날의 구불구불한 골목길 그대로인 상황과 비슷한 것입니다.

 

 

이 문제는 전하고자 하는 신호의 주파수가 증가하면 더욱 큰 문제가 됩니다. 최근 무선통신은 물론 반도체에서도 고주파 사용이 늘고 있고, 고주파로 갈수록 금속선은 저항이 더 커지게 됩니다. 통신은 광통신으로 대체해 해결이 가능하지만, 반도체에서는 불가능하기때문에 신호전송속도가 향상된 차세대 반도체 기술은 향후 반도체 산업의 발전에 큰 기여를 할 것으로 보입니다.

장 교수팀은 금속 재질 대신 그래핀을 신호 전송용 길로 활용했습니다. 그래핀은 탄소 원자가 육각형으로 결합한, 두께 0.3나노미터(nm, 1nm는 10억분의 1m)의 얇은 2차원 물질입니다. 전선에 널리 쓰이는 구리보다 전기를 전달하는 능력이 100배 뛰어나고 전자를 이동시키는 속도도 100배 이상 빨라 이상적인 반도체용 물질로 꼽힙니다. 

하지만 너무 얇다 보니 전류나 신호를 전달하는 데 방해가 되는 저항이 높고, 전하 농도가 낮아 효율이 떨어진다는 단점이 있었습니다. 비유하자면 골목길 대신 왕복 10차선 고속도로를 깔았는데, 중간중간 구덩이가 많이 패여 있고 지반까지 약해, 정작 차량이 많이 지나다니지 못하는 상황과 같다고 볼 수 있습니다.

 

그래핀-비정질 탄소 결합 모식도

 

장 교수팀은 이런 단점을 해결하고자 그래핀에 불순물을 얇게 덮는 방법을 생각해 냈습니다. 그래핀 표면에 탄소 덩어리(비정질 탄소)를 흡착시켜 일종의 ‘코팅’처럼 둘러싼 것입니다. 약하고 구멍이 패인 고속도로에 시멘트를 입혀 구덩이를 메우고 길을 튼튼하게 만든 것과 같습니다.

 

연구 결과 이 과정에서 신호 전달을 방해하던 저항은 기존 그래핀 선로보다 60% 감소했고, 신호 손실은 약 절반 정도로 줄어든 것으로 측정됐습니다. 전달할 수 있는 전하의 농도는 20배 이상 증가했습니다. 이를 통해 연구팀은 크기는 금속 선로의 수백 분의 1로 작으면서 효율성은 그대로인 고효율, 고속 신호 전송 선로를 완성한 것입니다. 

 

장 교수는 “그 동안 금속성 물질인 그래핀을 주로 반도체 물질로 활용하는 연구를 했는데, 우리는 금속 본연의 성질을 강화하는 연구를 통해 이번 성과를 냈다”며 “초고주파에서 높은 효율을 보이는 만큼, 차세대 집적회로 및 초고주파용 회로에 적극 활용할 수 있을 것”이라고 말했습니다.

 

 

 

[그래핀과 실리콘 반도체의 돌파구, 2020년 12월]

 

그래핀은 아직까지 반도체에 쓰이지 못하고 있습니다. 전자의 에너지 차이인 밴드갭이 없기 때문입니다.

기존 반도체 소자 위에 그래핀을 여러 층으로 쌓으면 집적 회로를 소형화 할 수 있고 밴드갭도 조절할 수 있습니다. 하지만 그래핀과 반도체 소자 계면에서 물리적, 화학적 결함이 발생하는 문제가 또 발생합니다.

이병훈 포스텍 전자전기공학과 교수는 그래핀에서 나타나는 이런 결함을 휴대전화 액정에 보호필름을 붙이다 보면 발생하는 ‘공기방울’에 비유했습니다. 휴대전화 액정과 보호필름처럼 그래핀과 반도체 소자 사이에 산소 원자와 같은 이물질이 끼면서 결함이 발생한다는 것입니다. 

 

그는 이런 문제를 진공 상태를 통해 해결했습니다. 이 교수는 “휴대전화 액정에 보호필름을 붙일 때 이물질이 안 끼게 하는 좋은 방법은 공기가 없는 진공 상태를 유지하는 것”이라며 “같은 원리를 그래핀과 반도체 소자 계면에 적용했다”고 설명했습니다. 진공 상태에서 초 고순도의 그래핀을 이물질 없이 깔끔하게 붙일 수 있습니다.

다만 진공의 조건은 매우 까다롭습니다. 압력 등의 특이 조건이 있습니다. 연구팀은 수백 번의 실험의 통해 이 황금 조건을 알아냈습니다. 이 교수는 “꾸준한 연구를 통해 제대로 쓸 수 있는 그래핀을 만들 수 있게 됐다”며 “100개 중 90개 이상의 아주 일정한 형태의 이물질이 없는 그래핀이 생산되고 있다”고 말했습니다. 

 

기업과의 연구협력도 이뤄졌습니다. 이 교수팀이 개발한 기술과 현재 LG소재기술원에서 개발한 대면적 그래핀 성장기술과 융합해 대면적의 그래핀 웨이퍼를 개발하는 데 성공했습니다. 웨이퍼는 반도체의 재료가 되는 얇은 원판입니다. 8인치 기판 상에서 균일한 전기적 특성을 보장할 수 있는 세계 최고 수준의 그래핀 웨이퍼 제작기술로 평가받고 있습니다.

연구팀은 그래핀을 연구하다가 그래핀과 실리콘반도체 접합면에서 특이 현상을 발견했습니다. 그래핀과 실리콘 반도체를 접합한 후 빛을 쪼여줬더니 매우 특이한 광전류 증폭현상이 나타난 것입니다. 연구팀은 이런 현상을 이용해 전기는 적게 먹고 감도는 높은 광센서를 개발했습니다.

광센서는 빛을 흡수해 전기 에너지로 출력하는 장치입니다. 자율주행차나 광통신, 디지털 카메라 등 활용 산업분야가 다양합니다. 개발된 광센서는 현재 상용으로 쓰이는 광센서보다 100배 이상 우수한 성능을 보이는 것으로 확인됐습니다.

 

기존 광센서 공정에 비해 제조 또한 간단합니다. 이 교수는 “기존 광센서들은 실리콘에 광 반응기를 넣고 고온 공정을 거쳐야 한다”며 “소재도 비싼 걸 사용해야 하는데, 개발한 광센서는 이런 공정이 전부 빠지게 되는 것”이라고 밝혔습니다. 

다만 아직 동작속도가 느린 것이 단점입니다. 상용화 수준의 동작속도가 10 나노초 (ns·10억분의 1초) 이내인데 현재 100나노초 수준입니다. 현재 관련 연구를 진행 중입니다.

이 교수 연구팀은 개발된 두 기술을 이용해 학생들 창업도 이끌었습니다.

GIST 창업기업 시그마포토닉스와 알파그래핀입니다. 각각 2017년과 2018년 창업했습니다. 이 교수는 “글로벌프론티어사업단의 도움으로 창업 후에도 당장의 성과보다는 차분히 기술 연구를 할 수 있었다”며 “사업단내 이론그룹과 융합연구를 통해, 계면반응원리, 계면 장벽 제어원리를 규명하는 데도 도움을 받았다”고 밝혔습니다.

 

 

 

 

[이온빔 기술을 활용한 고결정성 고순도 그래핀 양자점의 건식 제조 및 패터닝 기술 개발, 2021년 11월]

 

그래핀을 수 나노미터(nm) 크기로 줄일 경우 반도체의 특성까지 갖게 되는데 이를 ‘그래핀 양자점’이라 합니다.

전류를 흘려주거나 빛을 쪼이면 반도체처럼 빛을 발하고, 의료용으로 사용할 수 있을 만큼 인체에 무해해 의료 및 산업 분야 전반에 활용하기 위한 다양한 연구가 진행 중입니다.

한국원자력연구원 양성자과학연구단은 가속기이용연구부 하준목·여순목 박사 연구팀이 ‘이온빔 기술을 활용한 고결정성 고순도 그래핀 양자점의 건식 제조 및 패터닝 기술’을 개발했다고 밝혔습니다. 관련 연구결과는 재료 분야 권위지인 카본(Carbon)에 게재됐습니다.

해당 기술은 그래핀 양자점을 만드는 새로운 건식 제조공정입니다. 어떤 화학물질도 사용하지 않고 이온빔과 가열공정만으로 고결정성, 고순도 그래핀 양자점을 만들 수 있습니다.

이번에 개발한 기술은 연구원 양성자과학연구단이 보유한 이온빔 조사시험시설을 적극 활용하는 것이 특징입니다.

반도체 실리콘 기판의 원하는 부위에 금속이온빔을 조사해 철 나노입자를 생성합니다. 철 나노입자는 섭씨 800도에서 1000도에 이르는 두 차례의 가열 공정을 거치며 그래핀 양자점을 합성하고, 고온 속에서 모두 증발되어 그래핀 양자점만을 남깁니다.

 

연구진은 이 과정을 통해 불순물이 없는 순수한 그래핀 양자점을 정확한 위치에 제조하는 데 성공했습니다.

특히 양자점을 기판에 원하는 모양의 회로로 배치해 형성하는 패터닝까지 성공했는데 이는 세계 최초의 성과입니다. 최근 해외 일부 연구진이 그래핀 양자점 패터닝에는 성공했지만 이번처럼 순수한 그래핀 양자점 제조에는 성공하지 못했습니다.

일반적으로 그래핀 양자점은 흑연 덩어리를 강한 산이나 염기 등으로 잘게 깎아내는 화학적 공정을 거쳐 액체 상태로 만들어냅니다. 불필요한 부산물이 포함되는 경우가 많고, 유독성 물질을 사용하기 때문에 완성된 그래핀 양자점이 인체에도 유해하다는 논란이 있습니다. 무엇보다 그래핀 양자점이 액체 상태로 만들어져, 패터닝이 어려워 디스플레이, 태양전지, 센서 등 산업적 활용에 제한이 있었습니다.

김유종 양성자과학연구단장은 “지금까지 그래핀 양자점의 상용화를 가로막던 장애물들을 이번 기술을 통해 극복할 수 있다”며 “그래핀 양자점의 산업 및 의료 분야 상용화를 앞당길 것”이라고 기대감을 전했습니다.

이번 연구를 이끈 하준목 선임연구원은 “인체친화적인 순수 그래핀 양자점을 어떠한 화학물질도 사용하지 않고 제조했다는 점도 중요하다”며 “중금속을 활용해 만드는 기존의 양자점을 완벽히 대체할 수 있도록 앞으로도 기술을 발전시켜 나가겠다”고 밝혔습니다.

 

 

 

[2차원 탄소 동소체 홀리그래파인 합성 성공, 2022년 5월]

 

'꿈의 신소재'로 불리는 그래핀를 반도체로 활용할 수 있는 새로운 2차원 탄소물질이 개발됐습니다. 기존 실리콘을 넘어 그래핀 기반의 차세대 반도체 시대를 열어 줄 신물질로 평가받고 있습니다.

기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단은 이효영 부연구단장(성균관대 교수) 연구팀이 반도체 특성을 띠는 새로운 2차원 탄소 동소체(같은 원소로 이뤄져 있지만 모양과 성질이 다른 물질)인 '홀리그래파인'을 개발했다고 밝혔습니다.

그래핀과 플러렌, 탄소나노튜브 등 현대에 발견된 다양한 탄소 동소체는 나노물질 과학에 혁명을 일으키고 있습니다. 이 가운데 그래핀은 전자 이동 속도가 실리콘의 140배에 이르고, 강도는 강철의 200배에 달해 꿈의 소재로 각광받고 있습니다.

하지만, 그래핀은 밴드갭이 없어 반도체로 사용하는 데 한계가 있습니다. 이 때문에 빠른 전하 이동속도를 가지면서 동시에 밴드갭 조절이 가능한 새로운 유형의 2차원 탄소 동소체를 찾는 연구가 활발하게 이뤄지고 있습니다.

 

최근에는 그래핀에 물리적·화학적 방법으로 구멍을 생성하면 전류의 흐름을 방해해 밴드갭 조절이 가능한 '홀리그래핀(구멍이 있는 그래핀)'을 개발했는데, 구멍의 크기와 분포가 균일하지 못해 원하는 특성을 구현하기 어려웠습니다.

연구팀은 그래핀 원자 단위로부터 탄소 재료를 새롭게 합성해 규칙적으로 구멍을 생성하는 방식으로, 홀리그래파인 물질을 개발했습니다. 홀리그래파인은 벤젠 고리가 삼중 결합으로 번갈아 연결돼 있으며, 6각형 고리와 8각형 고리의 패턴이 동일한 비율로 구성돼 있습니다.

연구팀은 6단계 반응을 거친 단분자를 이용해 물과 디클로로메탄으로 구성된 두 가지 용매의 계면 사이에서 초박형 2차원 반도체 홀리그래파인을 합성하는 데 성공했습니다. 이 홀리그래파인의 밴드갭은 1.1eV로, 실리콘의 밴드갭(1.12eV)와 유사하고, 전하 이동속도는 그래핀과 유사해 반도체 재료로 적합했습니다.

이효영 IBS 부연구단장은 "이번 연구성과는 초박형 단결정을 최초로 합성해 새로운 유형의 2차원 탄소동소체의 설계와 합성 가능성을 제시한 것"이라며 "홀리그래파인은 광전자공학, 촉매, 센서 등 다양한 분야에 활용할 수 있다"고 말했습니다.

 

 

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