국내 기술진에 의해 차세대 신소재인 '그래핀'의 상용화 기술이 개발됐다는 발표가 나오자 세계 과학계와 전자업계가 떠들썩하다.
그래핀이 도대체 어떤 물질이길래 이같이 전 세계적인 관심을 받는 것일까?
이는 '꿈의 신소재'로 불리는 '그래핀'을 원하는 크기대로 만들어낼 수 있게 되면 입는 컴퓨터, 팔찌 휴대폰, 접는 전자종이 등 영화 속에서만 볼 수 있었던 미래의 전자기기를 현실 속에서 만들어낼 수 있기 때문이다.
⊙ 그래핀이란
지난달 15일 세계적인 과학저널 '네이처'는 성균관대학교 성균나노과학기술원(SAINT)의 홍병희 화학과 교수(37)와 최재영 삼성전자 종합기술원 전문연구원(39)이 공동으로 반도체 공정에 적용 가능한 대(大)면적 그래핀의 제조기술과 그래핀으로 회로를 구성할 수 있는 패터닝 기술을 개발했다고 발표했다.
그래핀이란 탄소원자가 서로 연결돼 벌집 모양의 평면 구조를 이루는 물질로 구조적 화학적으로 안정돼 있고 매우 뛰어난 전기적 성질을 갖는다.
그래핀이 튜브형태로 말려 있으면 그래핀과 함께 차세대 전자소자 소재로 주목받는 탄소나노튜브가 된다.
현재 반도체에서 사용되는 단결정 실리콘보다 100배 이상 빠르게 전자가 이동할 뿐만 아니라 구리보다 100배 많은 전류가 흐를 수 있어 기존 기술을 대체할 차세대 트랜지스터 및 전극 소재로 주목받아 왔다.
2004년 영국 연구진에 의해 발견된 그래핀은 세계 각국에서 신소재로서의 우수성에 대한 연구가 진행돼 왔으나 수십 ㎛(마이크로미터) 크기 수준으로만 존재했기 때문에 디스플레이나 반도체 등에 적용할 응용기술 개발에 한계가 있었다.
연구팀의 개발이 관심을 끄는 것은 이번 연구가 그래핀을 반도체 웨이퍼 크기 이상으로 합성할 수 있는 공정을 개발했다는 의미여서다.
연구팀은 그래핀을 반도체 제작 등에서 널리 사용되고 있는 간단한 화학증기증착법(CVD)을 이용해 넓은 면적으로 합성할 수 있다는 것을 밝혀내고 접거나 잡아당겨도 전도 특성을 유지하는 신축성 전극과 대용량 트랜지스터 배열 등에 적용할 수 있다는 것을 증명했다.
네이처는 이번 연구에 대해 "연구진이 만든 ㎝(센티미터) 수준의 그래핀 필름은 지금까지 제작된 어떤 그래핀보다 기계적，전기적 성질이 우수하다"며 "입는 컴퓨터 같은 플렉시블 전자소자 가능성을 앞당겼다"고 평가했다.
⊙ 접는 전자종이에 적용돼
연구팀은 앞으로 그래핀을 이용해 만든 투명전극이 가장 먼저 상용화될 수 있을 것으로 내다보고 있다.
현재 사용되고 있는 대표적인 투명전극인 ITO(Indium Tin Oxide)는 평판 디스플레이, 터치스크린, 태양전지 등에 광범위하게 사용되고 있지만 최근 인듐의 고갈로 단가가 상승해 대체물질의 개발이 시급히 요구되고 있다.
또 ITO가 쉽게 깨지는 특성을 가진 반면 그래핀 투명전극은 뛰어난 신축성, 유연성 및 투명도를 가지면서도 상대적으로 간단한 방법으로 합성 및 패터닝이 가능하다.
홍 교수는 "4인치(약 10㎝) 그래핀 필름에 회로를 구성한 후 테스트해 본 결과 20~30% 잡아당겨도 전기적 특성을 잃지 않는 것으로 확인됐다"고 밝혔다.
이 같은 연구결과는 그래핀을 이용해 투명 플렉시블 디스플레이 생산이 가능하다는 것을 시사한다.
투명한 디스플레이를 접거나 말아서 갖고 다닐 수 있게 된다는 얘기다.
한 마디로 말하면 대형 TV를 주머니에 꼬깃꼬깃 접어서 들고 다니다가 캠핑 텐트 안에서 집에서와 똑 같은 화질로 드라마를 시청할 수 있다는 것이다.
두루말이 컴퓨터，접어서 들고다니는 전자종이，전면이 디스플레이인 팔찌 휴대폰 등이 적용 기기다.
그래핀 투명전극의 대량 생산기술이 확립된다면 연간 수천억원에 이르는 투명전극의 수입 대체 효과뿐만 아니라 차세대 플렉시블 전자산업 기술 전반에 막대한 파급을 미칠 것으로 보인다.
한국전자부품연구원은 세계 투명전극 시장이 2008년 7조7000억원에서 2018년 22조원으로 성장할 것으로 전망하고 있다.
⊙ 기존의 실리콘 반도체 대체
연구팀은 또 그래핀이 집적도 및 처리속도가 한계점에 다다른 실리콘 반도체를 대체할 수 있을 것으로 예상했다.
그래핀은 기존의 실리콘 보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있기 때문에 발열량이 작고 간단한 나노패터닝 공정을 통해 반도체 특성을 조절할 수 있어 실리콘 기반 소자가 가지는 여러가지 문제를 해결할 수 있다.
그러나 이를 위해서는 그래핀 필름을 넓게 만드는 기술과 함께 그래핀의 층수를 조절하는 기술이 필수적이다.
연구팀은 촉매 및 반응 시간 조절，광화학 반응 등을 통해 그래핀 박막의 두께를 조절하는 방법을 함께 제시함으로써 향후 나노소자 응용에 획기적인 전기를 제공했다.
현재 기판의 60~70%를 단층 그래핀 박막으로 만들 수 있으며 더욱 균일한 그래핀 단층 박막을 만드는 기술 개발이 그래핀 반도체의 남은 과제라는 설명이다.
반도체 산업 의존도가 높은 국가산업구조상 이에 대한 집중적인 투자와 원천기술 확보는 국가경제의 미래와 직결된다는 점에서 대면적 그래핀을 응용한 실리콘 반도체 대체기술의 개발은 매우 시급한 과제이며 집중적인 연구 인프라의 확충과 투자가 필요하다.
홍 교수는 "이번 연구결과는 우리나라가 강점을 갖고 있는 디스플레이 및 반도체 분야에서 지속적으로 기술 리더십을 강화할 수 있는 계기를 만들었다는 점에서 의미가 있다"고 강조했다.
삼성전자는 앞으로 성균관대와 지속적인 협력을 통해 초고속 나노 메모리, 투명 플렉시블 디스플레이, 차세대 태양전지 등에 그래핀 관련 기술 적용을 확대해 나갈 계획이라고 밝혔다.
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