돌돌말리는 전자제품 상용화 눈앞…대면적 ‘화이트 그래핀’ 합성 성공

[아이뉴스24 최상국 기자] 기초과학연구원(IBS) 연구진이 가로 세로 10cm 크기의 단결정 2차원 화이트 그래핀을 만드는 데 성공했다.

그동안 수 ㎟ 크기로 제조하는 것이 한계였던 2차원 단결정 소재를 반도체 제작 공정에 바로 적용할 수 있을 정도의 대면적화에 성공함으로써 실리콘 이후 차세대 반도체 시대를 더욱 앞당길 것으로 기대된다.

IBS 다차원 탄소재료 연구단 펑딩 그룹리더(UNIST 특훈교수) 팀은 중국, 스위스 연구진과 함께 단결정 2차원 화이트 그래핀(h-BN, 육방정계 질화붕소)을 최대 100㎠의 대면적으로 제조하는데 성공했다고 23일 발표했다.

2차원 단결정 소재의 개발은 신문처럼 돌돌 말리는 저전력·고성능 롤러블 디스플레이 상용화를 위한 핵심기술이다.

롤러블 디스플레이의 상용화를 위해서는 딱딱한 실리콘 대신 원자 1~2개층 두께의 얇고 신축성 있는 2차원 재료가 필요하다. 아직까지 그래핀 외에는 2차원 단결정 소재를 상용화할 수 있는 크기의 대면적으로 제작한 사례는 없었다

연구진은 시뮬레이션 연구를 통해 합성하고자 하는 소재보다 표면 대칭성이 낮은 기판을 사용하면 다양한 2차원 단결정 소재를 대면적으로 성장시킬 수 있다는 합성공식을 찾아내고 이를 바탕으로 표면 대칭성이 화이트 그래핀보다 낮은 구리 기판을 사용해 대면적화에 성공했다.

도체인 그래핀 만으로는 반도체를 구현하지 못하지만 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.

연구팀이 발견한 대면적화 합성공식은 '합성하고자 하는 물질보다 표면 대칭성이 낮은 기판을 사용하면 원자의 배열이 균일한 단결정 소재를 제조할 수 있다'는 것이다.

육방정계 질화붕소(h-BN)는 붕소(B)와 질소(N)가 삼각형 형태를 이루어 120° 회전할 때마다 같은 모양이 나오는 3축 대칭성을 갖는다. 연구팀은 표면 대칭성이 2축인 구리 기판을 만들고 그 위에 h-BN을 성장시키면 대면적의 단결정 소재를 만들 수 있다는 것을 증명했다.

이에 따라 그동안 성능은 우수하지만 대면적화가 어려웠던 다른 소재들의 상용화에도 기여할 수 있을 것으로 보인다.

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 물성의 전자기기를 구현하는 데 기여할 것”이라고 말했다.

이 연구 결과는 네이처誌 온라인 판에 23일 게재됐다.