기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 펑딩 그룹리더(UNIST 특훈교수) 팀은 중국, 스위스 연구진과 함께 신문처럼 돌돌 말리는 저전력․고성능 롤러블 디스플레이 상용화를 위한 핵심기술을 개발했다.

• 연구진은 수㎟ 크기로 제조하는 것이 한계였던 단결정* 2차원 화이트 그래핀**을 최대 100㎠의 대면적으로 제조하는데 성공했다. 이는 반도체 제작 공정에 바로 적용할 수 있는 크기다.
    * 단결정(Monolayer) : 원자의 배열과 배향이 규칙적인 소재로 열․전기 전도도가 우수하여, 전자기기에 적용하면 적은 전력으로 높은 성능을 낼 수 있다.
    ** 2차원 화이트 그래핀(h-BN) : 붕소(B)와 질소(N)가 삼각형 형태로 놓인 원자 1-2개 층 두께의 2차원 물질. 그래핀과 달리 절연 특성(2차원 부도체로 응용 가능).
• 과학기술정보통신부(장관 유영민)와 IBS(원장 김두철)는 이번 연구 성과가 세계 최고 권위의 학술지 네이처(Nature, IF 41.577)誌 온라인 판에 5월 23일 새벽 2시(한국시간) 게재되었다고 밝혔다.

롤러블 디스플레이의 상용화를 위해서는 딱딱한 실리콘 대신 얇고 신축성 있는 2차원 재료(원자 1-2개 층 두께)가 필요하며, 단결정을 사용할 경우 기기의 성능 또한 대폭 높아진다.
아직까지 그래핀 외에는 2차원 단결정 소재를 상용화할 수 있는 크기의 대면적으로 제작한 사례는 없었다.

• 연구진은 시뮬레이션 연구를 통해 합성하고자 하는 소재보다 표면 대칭성*이 낮은 기판을 사용하면 다양한 2차원 단결정 소재를 대면적으로 성장시킬 수 있다는 합성공식을 찾아냈다.
    * 대칭성(symmetry) : 360° 회전시켰을 때 같은 모양이 나오는 횟수. 육각형 구조인 그래핀은 60° 회전할 때 마다 같은 모양이 나오는 6축 대칭, 삼각형 구조인 h-BN은 120° 마다 같은 모양이 나오는 3축 대칭 물질이다.
• 연구진은 이 원리에 착안하여, 표면 대칭성이 낮은 구리 기판을 사용해 부도체인 2차원 단결정 화이트 그래핀을 가로・세로 10㎝의 대면적으로 제조하는데 성공했다.
• 도체인 그래핀* 만으로는 전원이 켜졌다 꺼졌다 하는 반도체를 구현하지는 못하는데, 도체인 그래핀과 부도체인 화이트 그래핀을 층층이 쌓으면 별도의 공정 없이도 수 원자층 두께의 얇고 신축성 있는 고성능․저전력 차세대 반도체를 만들 수 있게 된 것이다.
    * 전자의 이동 속도가 실리콘 보다 100배 이상 빠르고, 두께도 없는 꿈의 신소재

이번 연구로 대면적 제작 기술의 한계로 인해 상용화가 어려웠던 우수한 2차원 소재를 산업계에 적용할 수 있는 길이 열렸다.

• 화이트 그래핀은 열에 강하고 방사능도 막을 수 있어 전자기기는 물론 비행기, 우주선과 같은 가볍고 열‧화학적 안정성이 요구되는 분야에 두루 활용할 수 있다.

펑딩 IBS 그룹리더는 "2차원 소재는 그 자체로도 우수하지만, 여러 소재를 층층이 쌓아 함께 사용했을 때 시너지 효과를 낸다"며 "실리콘 이후 차세대 반도체 시장의 문을 연 것으로 지금껏 상상하지 못했던 새로운 물성을 전자기기를 구현하는 데 기여할 것"이라고 말했다.

그림설명

▲ [그림 1] 이번 연구를 이끈 펑딩 IBS 다차원 탄소재료 연구단 그룹리더(왼쪽)와 레이닝 장 연구원의 모습

▲ [그림 2] 2차원 단결정 육방정계 질화붕소(h-BN)의 성장과정그림 (a)는 단결정 구리(Cu) 금속 포일 위에 놓인 일정 방향성의 원자 배열을 갖는 h-BN 단결정의 모습이다. 질소(N)와 붕소(B)가 이루는 기본 단위가 삼각형 형태임을 확인할 수 있다. 연구진은 여러 분석 장비를 이용해 분석 결과, 구리 금속 포일에서 성장시킨 2차원 h-BN이 원자의 배열과 배향이 일정한 단결정 형태임을 확인했다.

▲ [그림 3] 단결정 구리(Cu) 포일 위 2차원 h-BN 성장 메커니즘단결정 구리(110)의 계단 형태의 미사면 모서리를 따라 질소(N)와 붕소(B)가 차례대로 놓이는 켜쌓기 성장이 진행되며 표면 위를 코팅하듯 배열이 균일한 단결정 h-BN이 만들어진다.

▲ [그림 4] 각종 분석장비로 관찰한 단결정 h-BN의 모습연구진이 제조에 성공한 면적 100㎠의 단결정 h-BN을 각종 분석 장비로 관찰한 모습. 원자의 배열이 규칙적이고 배향 역시 일정한 단결정으로 성장했음을 확인할 수 있다.