초전도 꿈의 나노 물질인 그래핀 상용화를 앞당길 수 있는 기술이 국내 연구진을 통한 연구로 개발에 성공했다.
한국연구재단(이사장 정민근)과 미래부의 연구지원 속에 신라대 안성일 교수 연구팀이 반응성 자기조립 기술을 통해 커다란 면적의 그래핀 박막 제조 및 유연 기판 이동, 패턴화 등이 가능한 일괄 공정 기술을 국내 처음으로 개발했다고 밝혔다.
새로 개발한 반응성 자기조립 기술은 그래핀 소재의 상용화 토대 마련에 획기적인 성과로서 앞으로 IT 및 최첨단 기술 등 향후 미래 기술에도 적용이 기대된다.
현재까지 알려진 기존 대면적 그래핀 제조 및 이의 패터닝 기술에 대한 문제점은 CVD 그래핀은 실리콘 기판을 기본으로 하는 소자 혹은 유리 기판을 이용하는 소자, 혹은 플라스틱 기반의 소자 등에 적용하기 위해서는 반드시 에칭(금속을 제거하는 것)과 이동(transfer) 과정이 필요하였다.
이는 CVD 그래핀의 경우 1000도 이상에서 니켈 혹은 구리금속 상에서 성장하기 때문에 첫째로 유리 기판, 플라스틱 기판을 바로 사용하는 것이 불가능하고, 실리콘 기판의 경우도 상기 금속이 증착되지 않은 이상 실리콘 상에서는 그래핀이 성장하지 않기 때문에 반드시 금속 촉매막이 필요하여 소자 제작을 위해서는 금속막을 제거하는 에칭 공정이 들어가야 했다.
또한 그래핀 막을 전자소자에 적용하기 위해서 필수적인 부분은 패터닝 과정이다. 따라서 그래핀을 대면적화 시키는 연구와 아울러 패턴화 방법 또한 매우 중요한 연구이다. 그래핀의 패터닝은 전통적인 포토리소그래피 방법, 레이저를 이용한 패터닝 방법과 촉매 층을 패턴한 후 그래핀을 패턴 성장 시키는 방법 등 다양하게 연구되고 있으나, 통상적인 반도체의 패터닝 과정 보다 transfer과정과 에칭 과정이 추가되면서 더 복잡해 진다.
이에 대해 안성일 교수팀이 이번에 연구개발 성과는 화학적 방법으로 대면적 그래핀을 제조하는 방법을 개발하고, 다양한 기판으로 transfer 하는 기술 및 패턴화 기술까지 일괄적으로 개발하는데 성공한 것이다.
안성일 교수 연구팀은 먼저 반응성 자기조립(RSA: Reaction Based Self-Assembly) 기술을 개발했다. 반응성 자기조립은 자기조립 특성이 없는 산화그래핀 용액과 환원제를 섞어 밀폐한 후 50~80℃ 정도의 열을 가해 자기조립 특성이 있는 그래핀 박막을 생성하는 기술이다.
* 자기조립: 소재가 특정 조건에서 스스로 균일한 구조로 결합하는 현상
이 기술은 기존 고온(800℃ 이상)의 진공 상태에서 기체 화합물을 반응시켜 얻는 화학증기상 증착법(CVD) 그래핀 박막과는 달리 낮은 온도에서 기계적 장치 없이 화학적으로 대 면적 그래핀 박막을 제조하는 기술로 CVD법 그래핀이 가지는 유연 기판 이동 및 패턴화 공정 등의 어려움을 극복할 수 있는 기술인다.
또한 연구팀은 반응성 자기조립 기술로 생성된 그래핀 박막과 유리 기판 사이에 물 분자(수증기)를 주입해 그래핀 박막을 다른 기판(유연 기판 등)으로 쉽게 이동시키고, 접착식 패턴 테이프를 이용해 ±10μm(미크론)의 정밀도를 가지는 초간단 대면적 패터닝 공정도 동시 개발했다.
* 패터닝: 회로에 전선을 깔듯이 반도체 위에 전기 신호를 보내기 위한 선을 만드는 것
안성일 교수는“새로 개발한 반응성 자기조립 기술은 그래핀 소재의 상용화 토대 마련에 획기적인 성과로서 앞으로 IT 및 최첨단 기술 등 향후 미래 기술에도 적용할 수 있을 것으로 기대한다”고 연구의 의의를 밝혔다.
전기전자 소재 분야, 보호막 필름 연구, 철강 소재 산화 방지막 연구 등 다양한 응용연구에 적용될 것으로 기대되는 이 연구 결과는 세계적 학술지 네이처의 자매지, 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)에 지난 12월 발표되었다.
