본문 바로가기

1만 배 커진 2차원‘화이트 그래핀(h-BN)’합성 성공

2차원 단결정 제조 원리 규명 … 롤러블 디스플레이 상용화 길 열어

1만 배 커진 2차원‘화이트 그래핀(h-BN)’합성 성공
펑딩 IBS 다차원 탄소재료 연구단 그룹리더(왼쪽)와 레이닝 장 연구원의 모습

[산업일보]
최근 폴더블폰이 등장하며 세상의 이목을 끌고 있다. 스마트폰을 절반으로 접었다 폈다 할 수 있는 폴더블폰은 기존보다 두 배 큰 디스플레이를 가지면서도, 휴대 편의성은 지켰다. 산업계에서는 이에 그치지 않고 신문처럼 돌돌 말고 펼 수 있는 필름형태의 ‘롤러블(rollable) 전자기기’를 개발하기 위한 움직임이 한창이다.

완전한 롤러블 전자기기의 상용화를 위해서는 종잇장보다 수백만 배 얇은 2차원 소재가 필요하다. 특히 원자의 배열이 균일한 단결정 소재를 활용해 이를 구현한다면, 훨씬 작은 전력으로도 고성능을 낼 수 있는 전자기기를 구현할 수 있다.

하지만 아직까지 도체(전기가 통하는 물질)인 그래핀을 제외하고 2차원 단결정 소재를 상용화에 충분한 큰 면적으로 제작한 사례는 없다. 2차원 단결정 소재는 지금까지 최대 수 ㎟ 크기까지가 한계였다. 현존 반도체 제조 공정에 적용하기 턱 없이 작은 크기다.

실리콘 기반 반도체는 발전 한계에 다다랐지만, 과학계와 산업계는 2차원 소재의 개발이 차세대 반도체 시장을 열 것으로 예상한다. 현존 반도체 개발 공정에 2차원 소재를 적용하기 위해서는 우선, 2차원 소재를 현재 사용되는 실리콘 기판과 유사한 크기로 제작할 수 있어야 한다.

특히 원자의 배열과 배향이 규칙적이라 물성이 우수한 단결정의 경우 2차원 대면적 제조가 더 까다롭다. 1천21개의 원자를 정확하고 규칙적으로 정렬해야만 1㎣의 단결정을 제조할 수 있다. 2차원 단결정 소재가 아직까지 상용화되지 않은 이유다.

1만 배 커진 2차원‘화이트 그래핀(h-BN)’합성 성공
2차원 단결정 육방정계 질화붕소(h-BN)의 성장과정

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 그래핀을 최대 100㎠의 대면적으로 제조하는데 성공했다. 이는 반도체 제작 공정에 바로 적용할 수 있는 크기다.

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. 연구진은 시뮬레이션 연구를 통해 합성하고자 하는 소재보다 표면 대칭성이 낮은 기판을 사용하면 다양한 2차원 단결정 소재를 대면적으로 성장시킬 수 있다는 합성공식을 찾아냈다.

연구진은 이 원리에 착안해, 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.

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 낸 다”며 “실리콘 이후 차세대 반도체 시장의 문을 연 것으로 지금껏 상상하지 못했던 새로운 물성을 전자기기를 구현하는 데 기여할 것”이라고 말했다.

한편, 과학기술정보통신부는 이번 연구로 대면적 제작 기술의 한계로 인해 상용화가 어려웠던 우수한 2차원 소재를 산업계에 적용할 수 있는 길이 열릴 것으로 기대하고 있다.
김예리 기자 yrkim@kidd.co.kr

해외 글로벌 기업들의 동향을 신속 정확하게 보도하겠습니다.

이 기자의 다른기사 보기 >

0 / 1000

주소 : 08217 서울시 구로구 경인로 53길 15, 업무A동 7층 | TEL : 1588-0914 | 신문사업.인터넷신문사업 등록번호 : 서울, 아00317 | 등록일자 2007년 1월29일

발행인 · 편집인 : 김영환 | 사업자번호 : 113-81-39299 | 통신판매 : 서울 구로-1499

로고

로고

대통령표창

산업일보의 사전동의 없이 뉴스 및 컨텐츠를 무단 사용할 경우 저작권법과 관련 법에 의거하여 제재를 받을 수 있습니다. COPYRIGHT© SINCE 1991 DAARA ALL RIGHT RESERVED

대통령표창

산업일보의 사전동의 없이 뉴스 및 컨텐츠를 무단 사용할 경우
저작권법과 관련 법에 의거하여 제재를 받을 수 있습니다.

COPYRIGHT© SINCE 1991 DAARA ALL RIGHT RESERVED