단결정 구리(Cu) 포일 위 2차원 h-BN 성장 메커니즘(IBS 제공)© 뉴스1

기초과학연구원(IBS)은 다차원 탄소재료 연구단 펑딩 그룹리더(UNIST 특훈교수) 연구팀이 중국, 스위스 연구진과 신문처럼 돌돌 말리는 저전력 고성능 롤러블 디스플레이 상용화를 위한 핵심기술을 개발했다고 23일 밝혔다.

수㎟ 크기로 제조하는 것이 한계였던 단결정 2차원 화이트 그래핀을 최대 100㎠의 대면적으로 제조하는데 성공한 것이다. 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 필요하다. 단결정을 사용할 경우 기기의 성능이 대폭 향상된다.

그러나 현재까지 그래핀 외에는 2차원 단결정 소재를 상용화할 수 있는 크기의 대면적으로 제작한 사례는 없었다.이에 연구팀은 시뮬레이션 연구를 통해 합성하고자 하는 소재보다 표면 대칭성이 낮은 기판을 사용하면 다양한 2차원 단결정 소재를 대면적으로 성장시킬 수 있다는 합성공식을 찾아냈다.

연구팀은 이러한 원리에 착안해 표면 대칭성이 낮은 구리 기판을 사용, 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 있다.

연구팀은 대면적 제작 기술의 한계로 인해 상용화가 어려웠던  우수한 2차원 소재를 산업계에 적용할 수 있는 길을 열었다.

화이트 그래핀은 열에 강하고 방사능도 막을 수 있어 전자기기를 비롯해 비행기, 우주선과 같은 가볍고 열‧화학적 안정성이 요구되는 분야에 두루 활용할 수 있다.

기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 펑딩 그룹리더(왼쪽)와 레이닝 장 연구원이 기념사진을 촬영하고 있다.(IBS 제공)© 뉴스1

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 물성을 전자기기를 구현하는 데 기여할 것”이라고 말했다.

이번 연구 성과는 세계 최고 권위의 학술지 ‘네이처(Nature)’ 온라인 판에 23일 오전 2시(한국시간) 게재됐다.


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