그래핀을 활용해 유연한 대용량 반도체 생산 기술 개발
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그래핀을 활용해 유연한 대용량 반도체 생산 기술 개발
  • 이경은 기자
  • 승인 2013.04.08 18:33
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[신소재공학과 김상욱 교수팀]질소를 첨가해 그래핀의 화학적 성질 변형…블록 공중합체 분자조립기술을 이용하면 나노 단위의 회로 설계할 수 있어

 우리 학교 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 그래핀 보조기판 위에 분자조립기술을 활용해 유연한 대용량 반도체를 만드는 원천기술을 개발했다. 이번 연구는 재료분야 세계적인 학술지 <어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)> 3월 6일 자에 게재되었다.
 
플라스틱 기판으로는 고집적 반도체 만들 수 없어
지금까지 디스플레이나 태양전지 등에 사용되는 저집적 회로를 제작하는 반도체 기술은 많이 개발되었다. 하지만 메모리나 CPU로 사용되는 나노 회로의 휘어지는 고집적 반도체는 개발하지 못했다. 고집적 회로를 설계하려면 나노 단위의 정밀한 회로를 그려야 하는데, 이러한 반도체 공정은 고온에서 이루어진다. 그런데 유연한 기판의 재료로 사용되는 플라스틱은 고온을 견디지 못하고 녹거나 타버렸다. 또 유연한 플라스틱은 나노 단위에서는 표면이 울퉁불퉁하므로 나노 회로를 그릴 수 없었다.
 
유연한 그래핀을 보조기판으로 이용해
김 교수팀은 이런 한계를 극복하기 위해 유연한 그래핀을 보조기판으로 활용했다. 그래핀에 회로를 설계한 후 이를 플라스틱 기판으로 옮겼다. 그래핀은 6각형 모양의 탄소 여러 층으로 이루어진 흑연에서 탄소 한 층을 떼어낸 형태라고 볼 수 있다. 그래핀은 같은 두께의 다른 물질에 비해 물성이 좋아 주목받는 신소재다. 그러나 그래핀을 얇게 펴면 대부분 평평하게 펴지지 못하고 구겨진다. 게다가 그래핀은 표면에너지가 낮아 그래핀 위에 다른 물질을 부착해 회로를 설계하기 어렵다. 그래핀은 탄소끼리 결합하고 있는 구조인데, 같은 원소끼리 결합한 비극성결합이기 때문에 부분 전하가 생기지 않아 표면에너지가 낮다. 표면에너지가 낮은 물질은 안정하기 때문에 다른 물질과 쉽게 반응하지 않는다. 
 
▲ 유연한 기판에 옮겨진 금 나노 구조체 /김상욱 교수 제공
 
질소를 첨가해 그래핀을 개질해
김 교수팀은 그래핀에 질소를 첨가해 이런 문제점을 해결했다. 일반적으로 흑연은 탄소 층간의 결합이 강해 물에 녹지도 않고 한 층씩 떼어내기도 어렵다. 그러나 김 교수팀이 변형한 흑연은 물에 잘 녹고 한 층씩 잘 분리된다. 김 교수팀은 이를 이용해 그래핀을 물에 녹여 용액 공정을 가능하게 했다. 용액 공정이 가능해지면 스핀 코팅 기법으로 그래핀을 기판 위에 균일한 두께로 펼 수 있다. 스핀 코팅 기법은 액체 물질을 기질 위에 떨어뜨리고 고속으로 회전시켜 얇게 퍼지게 하는 코팅 방법이다.
그리고 질소를 첨가한 그래핀은 표면에너지가 높다. 질소는 탄소보다 전기음성도가 높아 전자를 끌어당겨 부분적으로 (-)전하를 띈다. 질소와 탄소 간의 결합은 전하를 띄고 있는 극성결합이 되고, 표면에너지가 높아 불안정한 상태가 된다. 이렇게 변형된 그래핀은 다른 물질과 쉽게 반응한다. 
 
그래핀 위에 블록 공중합체 분자조립기술 활용
김 교수팀은 개질된 그래핀을 평평하게 편 후 그 위에 블록 공중합체(block copolymer) 분자조립기술로 회로를 설계했다. 블록 공중합체는 화학적으로 서로 다른 성질을 가진 두 종류 이상의 고분자를 인공적인 공유결합으로 연결한 분자구조다. 블록 공중합체에 열을 가하는 등의 작업을 하면 분자들이 서로의 성질에 따라 스스로 나노 단위의 미세한 무늬를 형성한다. 이 고분자 중 한 종류의 고분자를 깎아낸 뒤, 그 자리를 금과 같이 회로를 설계하려는 물질로 채우고 남은 고분자도 제거하면 그래핀 위에 나노 단위의 회로를 설계할 수 있다. 이 그래핀을 플라스틱에 부착한 후 그래핀만 녹여내면 회로가 유연한 플라스틱 기판에 부착된다.
 
초미세 나노 회로 공정을 유연한 기판에 적용할 수 있게 된 것은 이번 연구가 최초다. 이번 연구를 통한 고집적 반도체 생산 기술은 앞으로 플랙시블(flexible) 디스플레이 등 다양한 곳에 사용 가능할 것으로 보인다. 김 교수는 “앞으로도 금속 나노 패턴의 입체적인 형태나 광학 소재 등 관련 연구를 계속할 생각이다”라고 후속 연구 계획을 밝혔다.
 

 


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