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IBS, 1만 배 큰 2차원 '화이트 그래핀' 합성 성공

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등록 2019-05-23 02:01:00
100㎠ 크기 2차원 단결정 질화붕소 제작 기술…네이처誌 게재
롤러블 디스플레이 상용화 길 열려
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【대전=뉴시스】 김양수 기자 = IBS 연구진이 제조에 성공한 면적 100㎠의 단결정 질화붕소(h-BN)를 각종 분석 장비로 관찰한 모습. 원자의 배열이 규칙적이고 배향 역시 일정한 단결정으로 성장했음을 확인할 수 있다.2019.05.23(사진=IBS 제공) photo@newsis.com
【대전=뉴시스】 김양수 기자 = 기초과학연구원(IBS)은 다차원 탄소재료 연구단 펑딩 그룹리더(UNIST 특훈교수)팀이 중국, 스위스 연구진과 함께 신문처럼 돌돌 말리는 저전력·고성능 롤러블 디스플레이 상용화를 위한 핵심기술을 개발했다고 23일 밝혔다.

 이번에 연구진이 개발한 기술은 기존 수㎟ 크기에 불과하던 단결정 2차원 화이트 그래핀인 육방정계 질화붕소(h-BN)를 최대 100㎠의 대면적으로 제조할 수 있는 기술로 이는 반도체 제작 공정에 바로 적용할 수 있는 크기다.

 연구 성과는 세계 최고 권위의 학술지 네이처(Nature)誌 온라인 판에 23일 오전 2시(한국시간) 게재됐다. 논문명은 Epitaxial Growth of 10×10㎠ Single-crystal Hexagonal Boron Nitride Monolayer on Copper다.

연구팀에 따르면 롤러블 디스플레이의 상용화를 위해서는 딱딱한 실리콘 대신 얇고 신축성 있는 2차원 재료(원자 1-2개 층 두께)가 필요하며 단결정을 사용할 경우 기기의 성능 또한 대폭 높아진다.
 
허나 아직까지 그래핀 외에는 2차원 단결정 소재를 상용화할 수 있는 크기의 대면적으로 제작한 사례가 없다.

 IBS 연구진은 시뮬레이션 연구를 통해 합성을 원하는 소재보다 표면 대칭성이 낮은 기판을 사용하면 다양한 2차원 단결정 소재를 대면적으로 성장시킬 수 있다는 합성공식을 찾아냈다.
 
대칭성(symmetry)은 360〫회전시켰을 때 같은 모양이 나오는 횟수로 육각형 구조인 그래핀은 60〫회전시켰을  회전할 때 마다 같은 모양이 나오는 6축 대칭이다.

 연구진은 이 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 공정없이도 수 원자층 두께의 얇고 신축성 있는 고성능·저전력 차세대 반도체를 만들 수 있다는게 연구진의 설명이다.

 이번 성과로 대면적 제작 기술의 한계에 따라 상용화가 어려웠던 우수한 2차원 소재를 산업계에 적용할 수 있는 길이 열렸다.

 화이트 그래핀은 열에 강하고 방사능도 막을 수 있어 전자기기는 물론 비행기, 우주선과 같은 가볍고 열·화학적 안정성이 요구되는 분야에 두루 활용할 수 있다.

 펑딩 IBS 그룹리더는 "2차원 소재는 그 자체로도 우수하지만 여러 소재를 층층이 쌓아 함께 사용했을 때 시너지 효과를 낸 다"며 "실리콘 이후 차세대 반도체 시장의 문을 연 것으로 지금껏 상상하지 못했던 새로운 물성을 전자기기를 구현하는 데 기여할 것"이라고 말했다.


kys0505@newsis.com
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