저비용·초고속 그래핀 나노리본 기술 개발(04.27)

이태우 포스텍 교수팀…입는 컴퓨터 앞당길 원천기술 평가

그래핀 단점 밴드갭 결손문제 해결…2020년 50조원 시장 선점 기대

▲ 이태우 포스텍 교수팀이 개발한 대면적 그래핀 나노리본 제작 방법 모식도. ⓒ 2014 HelloDD.com

국내 연구진이 패터닝이 가능한 리소그라피 방법으로 단시간 내에 대면적 그래핀 나노리본 제작 기술을 개발했다.

원하는 모양으로 제작할 수 있으며 메모리와 디스플레이 등 고집적 전자회로에 활용될 수 있는 만큼, 웨어러블 전자소자나 접히는 디스플레이 상용화를 앞당길 원천기술로 평가받고 있다.

이태우 포스텍 신소재공학부 교수팀의 이번 연구성과는 재료과학분야 세계적 학술지인 '어드밴스트 머티리얼스' 온라인판에 4월 10일 게재됐다. 

이번 성과는 특히 그래핀의 최대 단점 중 하나인 밴드갭(band gap:전자가 지닐 수 있는 에너지의 허용된 대역)이 없어서 반도체 특성의 전자장치에 활용하기 어렵다는 문제점을 손쉽게 해결해 주목받고 있다.

▲ 다수의 전극에 대면적으로 정렬된 그래핀 나노리본(배경). 위 

왼쪽부터 시계방향으로 그래핀 나노리본 기반 전계효과 트렌지스

터의 모식도와 전극에 형성된 그래핀 나노리본 위 유기 나노선의 

모습, 다양한 모양으로 정렬된 그래핀 나노리본의 SEM 사진, 그

래핀 나노리본의 AFM 사진. ⓒ 2014 HelloDD.com

그래핀은 우수한 전기적, 물리적, 화학적 특성을 가지고 있어 차세대 고집적 유연 전자 소자의 핵심 물질로 주목받고 있다. 그럼에도 불구하고 밴드갭이 없어 밴드갭을 활용하는 반도체 특성의 전자장치에 사용하기 어려운 문제점이 있었다. 그래핀이 나노리본 형태가 되면 밴드갭을 갖게 되고 그 폭이 좁아질수록 밴드갭은 커진다.

기존에도 그래핀 나노리본 제작 기술은 있었지만, 공정 단가가 높고 제작시간이 길었다. 또 트랜지스터나 메모리 같은 전자소자에 적용하기 위해서는 대면적에서 개별적인 폭 조절과 위치 정렬이 필요하기 때문에 상용화에 한계가 있었다.

연구팀은 화학기상증착법(Chemical vapor deposition)을 통해 실리콘 기판 위에 그래핀을 형성하고 그 위에 유기 나노선을 원하는 위치에 정렬시킨 후 산소 플라즈마 식각(필요 없는 부분 제거) 과정을 도입했다. 이후 유기 나노선의 형태를 따라 그래핀 나노리본을 제작해 대면적 패터닝이 어려웠던 기존 그래핀 나노리본 제작공정의 단점을 극복했다.

연구팀은 개발한 기술을 이용해 10nm(나노미터) 이하 범위의 폭과 밴드갭을 가진 그래핀 나노리본 제작에 성공했다. 나아가 이를 전계 효과 트렌지스터의 채널로 이용해 상온에서 약 70의 on/off 전류비(current ratio)를 가진 소자 제작에도 성공했다.

이태우 교수는 "기존 방식과 달리 원하는 위치에 원하는 길이의 그래핀 나노리본을 대면적으로 제작할 수 있고 저비용으로 간결한 공법이 가능하기 때문에 그래핀 나노리본을 이용한 전자소자의 연구를 더욱 가속화 시킬 수 있다"면서 "이번 연구성과는 2020년 50조원 규모로 성장할 것으로 예측되는 입는 컴퓨터와 유연한 전자소자 등을 구현하기 위한 원천기술로 사용될 수 있을 것"이라고 기대했다.

한편 이번 연구는 미래창조과학부(장관 최문기)의 글로벌프론티어사업 중 '나노기반 소프트일렉트로닉스연구단(단장 조길원)' 지원으로 진행됐다.