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종이처럼 마는 디스플레이 개발 근접…소재부품 상용화 도달

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국제 공동연구진이 신문처럼 말았다가 펼 수 있는 ‘롤러블(Rollable)’ 전자기기를 구현하는데 필요한 ‘2차원 단결정 화이트그래핀(h-BN)’ 소재를 상용화에 사용 가능한 100제곱센티미터(㎠) 수준으로 만드는 데 성공했다.

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단결정 구리(CU 110)의 계단 형태의 모서리를 따라 질소(N)와 붕소(B)가 차례로 놓이면서 커지는 모습을 보인다. 특히 구리 표면 위를 코팅하듯 배열이 균일한 단결정이 형성돼 저전력·고효율의 특성이 나타난다. /기초과학연구원 제공

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23일 국제학술지 네이처(Nature)에 따르면 우리나라 기초과학연구원 소속 펑딩(Feng Ding) 다차원 탄소재료 연구단 그룹리더팀과 중국·스위스 국제 공동 연구진이 다양한 2차원 단결정 소재를 크게 만들 수 있는 공식을 찾아내고, 2차원 단결정 화이트그래핀을 상용화가 가능한 크기로 구현했다.

2차원 단결정 화이트그래핀은 붕소(B)와 질소(N)가 삼각형으로 놓인 원자 1~2개층 두께의 물질이다. 원자의 배열이 균일해 훨씬 작은 전력으로 고성능을 내는 전자기기를 구현할 수 있으며 부도체로 응용이 가능하다.

꿈의 전자부품인 롤러블 디스플레이를 구현하려면 전기가 통했다 안통했다 하는 반도체를 구현해야 한다. 지금까지 과학계에서 이를 상용화 하기 위한 크기로 만든 경우는 전기가 통하는 성질을 가진 도체 ‘그래핀’ 뿐이었다.

그래핀은 전자의 이동 속도가 실리콘보다 100배 이상 빠르고 두께도 없는 신소재이다. 그러나 혼자서는 반도체를 구현하기 어렵다. 도체와 조합해서 반도체가 돼야하지만 상용화가 가능한 부도체는 지금까지 없었기 때문이다.

실제 그동안 부도체인 2차원 화이트그래핀을 이용한 연구는 모두 연구실에서 실험하는 수준의 크기인 밀리미터에 불과했다. 상용화에 필요한 대면적 크기를 구현한 것은 이번이 처음이다. 특히 이번 결과는 반도체 제작 공정에 바로 적용할 수 있는 크기라는 점에 의미가 있다.

연구팀은 2차원 화이트그래핀의 면적을 증가시키기 위해 시물레이션 연구를 진행했다. 그 결과, 합성하고자 하는 소재보다 표면대칭성이 낮은 기판을 사용하면 다양한 2차원 단결정 소재를 크게 만들 수 있다는 공식을 찾아냈다.

표면대칭성은 어떤 구조를 360도 회전했을때 같은 모양이 나오는 횟수를 말한다. 육각형 모양인 그래핀의 경우 60도 회전할때마다 같은 모양이 나오며, 2차원 화이트그래핀은 120도마다 같은 모양이 나온다.

연구팀이 이 원리에 착안해 2차원 화이트그래핀보다 표면대칭성이 낮은 구리를 기판으로 사용했다. 그 결과, 부도체인 2차원 단결정 화이트그래핀을 가로, 세로 10 센티미터까지 제조했다.

이 화이트그래핀을 도체인 그래핀과 층층이 쌓으면 별도의 공정 없이도 원자층 두께의 얇고 신축성 있는 차세대 반도체 생산이 가능해진다. 또 화이트그래핀은 열에 강하고 방사능을 막는 성질이 있어 대면적화로 비행기, 우주선 등 소재 활용분야가 넓어질 수 있다.

펑딩 기초과학연구원 그룹리더는 "2차원 소재는 그 자체로도 우수하지만, 여러 소재를 층층이 쌓아 함께 사용하면 시너지 효과를 낸다"며 "이번 결과는 실리콘 이후 차세대 반도체 시장의 문을 연 것으로 새로운 물성의 전자기기 구현에 기여할 것"이라고 말했다.

김태환 기자(topen@chosunbiz.com)

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