그래핀, 실리콘 한계 극복할 차세대 반도체 소재 (재료연구소-소재기술백서 2012)

[다원에너지기술]

그래핀, 실리콘 한계 극복할 차세대 반도체 소재

■ 기술의 개요

◇ 기술의 정의

그래핀(graphene)은 육각형을 빈틈없이 깔아 놓은 벌집모양에 탄소원자가 배열돼 있는 원자 1개의 두께 0.35nm 밖에 되지 않는 얇은 막이다.

2010년 노벨물리학상의 주인공인 그래핀은 응용 측면에서 매우 뛰어난 특성을 지닌다. 그래핀은 ‘투명’과 ‘전도성’이 양립하는 꿈의 재료다. 예컨대 금속은 전기를 통하지만 투명하지 않다. 금속 내부를 자유로이 움직이는 전자의 수가 많으면 전기가 잘 흐르지만, 이 전자가 빛을 튕겨내기 때문에 불투명해지는 것이다. 현재 투명하면서도 전기를 통하는 ‘투명전도막’으로 희유금속인 인듐(In)을 함유한 ITO(산화인듐주석)가 사용되고 있는데 그래핀은 그 대체재로서 기대가 크다.

또한 그래핀은 빠른 전자이동도와 긴 평균 자유행로를 가진다. 특히 상온에서 그래핀의 최대 전자이동도는 20만cm²/V·s 로 실리콘보다 100~200배 빠르며, 1마이크론에 근접한 전자의 평균 자유행로를 가져 구리보다 35% 낮은 저항 값을 갖는다. 이러한 전자의 이동특성은 정보통신시스템의 속도향상으로 이어지는 초고속 트랜지스터용 소재로 그래핀을 주목하도록 만들고 있다.

공정의 관점에서도 그래핀은 기존의 나노소재와는 달리 2차원 평면 구조를 갖는 나노물질이며 정렬의 문제를 고민할 필요 없이 기존의 반도체 공정기술을 그대로 적용할 수 있어 큰 장점으로 작용한다.

현재까지 그래핀 연구는 물리적으로 우수한 그래핀의 물성 측정과 발현에 크게 초점이 맞추어 졌다. 이러한 물성들을 바탕으로 최근 고성능 투명전극, 메모리소자, 스핀소자, 고주파소자 등의 응용 연구가 활발하다. 특히 그래핀 기반의 새로운 소자 아키텍처를 통한 신개념 반도체 소자 제작에 많은 연구가 집중되고 있다. 이러한 정보전자 소자를 제작하기 위해서는 각 소자의 특성에 적합한 그래핀의 물성제어 및 양산기술이 뒷받침 돼야 한다. 최종 소자의 성능은 정밀한 그래핀의 도핑·패터닝·결함제어 기술에 좌우되게 될 것이다. 이에 정보전자용 나노소재기술에서 그래핀 소재기술은 그래핀의 생산과 물성제어로 정의할 수 있다.

(a) 그래핀의 격자구조와 (b) 그래핀을 이용한 플렉서블 소자

◇ 기술의 분류

본 고에서 그래핀 소재기술은 크게 그래핀 생산과 물성제어로 분류되며 세부 분류는 다음의 표와 같다.

그래핀 소재기술의 분류

■ 환경변화

◇ 그래핀 대량생산을 위한 기술개발 치열

그래핀을 최초로 박리한 2004년 연구를 시작으로 초기의 그래핀 연구는 우수한 품질의 단층이나 복층의 그래핀을 작은 영역에서라도 제작하는 것으로 충분했다. 하지만 최근 들어 실제 소자 제작이 가능한 저비용 및 양산성이 확보된 그래핀 제작 기술이 연구의 중심으로 부상됐으며, 다양한 제조방법이 제안됐다. 그러나 각 제조방법에서 제작된 그래핀의 물성은 배치(batch)마다 큰 편차가 존재하는 것이 확인 됐다. 이는 그래핀의 결함에 대한 분석과 제어에 대한 관심을 증대시켰다. 최근 고성능 전자현미경과 표면 측정 장비를 통해 원자수준의 그래핀을 관측하고 이를 제어할 수 있는 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

◇ 다양한 그래핀 응용연구 경쟁 가속화

2009년 그래핀의 대면적 형성이 CVD 방법을 통해 가능하게 되면서 그래핀의 높은 전하이동도와 원자층의 얇은 두께에서 기인하는 투명도를 활용할 수 있는 투명전극이나 반도체 소재로 그 관심이 집중됐다. 투명전극과 관련해서는 이미 양산 및 롤투롤 공정의 초기 파일럿 라인들이 한국과 일본의 기업체를 중심으로 시도되고 있다. 반도체 소자에서는 그래핀의 제로밴드갭 특성으로 인해 고주파소자로의 응용이 주목받았다. 최근 산화 그래핀을 활용한 메모리 소자 제작과 유기전자소자와 그래핀의 상호적합성으로 인한 전극으로의 활용이 큰 관심을 받고 있다. 새롭게 연구되고 있는 그래핀 외의 2차원 나노소재 (BN, MoS₂
외 다수)와 결합해 그래핀의 전기적 특성을 향상하는 연구가 활발하며, 이러한 소재와 결합된 새로운 반도체 소자 제작 원천연구가 제시되고 있다.

이와 같이 전술한 정보전자소자의 환경변화에 따른 관련 소재 기술과 새로운 소자 아키텍쳐 등은 전 세계적으로 많은 특허와 원천기술 확보를 위해 엄청난 투자와 연구가 집중되고 있으며 그 경쟁이 가속화 되고 있다.

■ 기술의 중요성

그래핀은 2004년 이후 나노소자·재료 연구에 있어 가장 주목받는 소재로서, 실리콘을 대체할 정보전자소재로 한국과학기술기획평가원(KISTEP) 선정 10대 미래유망기술에 포함됐다. 재료공학의 관점에서 지금까지 존재하지 않았던 원자 한 층의 두께를 가지는 그래핀은 재료공학·물리학·화학 분야에서 완전히 새로운 실험 가능성을 열어주었으며, 전기적·기계적·광학적 물성 등이 탁월해 많은 연구자들에게 꿈의 소재라는 인식을 심어주었다.

정보전자소재용 그래핀 소재 기술은 그래핀이라는 물질이 가지는 무한한 가능성에 기대를 거는 것으로 초기의 실리콘을 기반으로 하는 소자 연구들이 실리콘의 순도 조절과 결함제어·도핑에 의해 비약적으로 발전한 전례와 비교했을 때 본 고에서 제안한 그래핀 제작기술과 물성제어는 그래핀 정보전자소재 실현을 위한 핵심기술이라 할 수 있다.

그래핀에 관한 연구는 국가적으로는 IT산업의 세계적 기술 우위를 계속 유지해 미래 성장 동력으로 매우 중요한 위상을 가진다. 또한 환경과 전략자원 보호와 관련해 전 세계적으로 자국 이기주의가 팽배해지는 현 시점에 자연계에 풍부한 탄소를 기반으로 한 그래핀은 우리나라와 같이 자원이 부족한 나라에서는 장기적 안목으로 육성해야할 원천소재로서의 중요성을 가지고 있다.

그래핀을 이용한 미래소자

■ 기술분야별 동향

◇ 그래핀 생산 기술

그래핀을 제조하는 기술은 크게 4가지 - 화학기상증착법, SiC 에피텍시, 흑연산화 제조법, 흑연 층간화합물 박리법-로 대별된다.

그래핀 제조 방법

○ 화학기상증착법(CVD법)

화학기상증착법은 대면적 그래핀 제작에 가장 유용한 방법이다. 최근에는 성장조건을 변경해 성장 과정에서 생기는 도메인을 조절해 물성 향상을 도모하는 연구들이 진행되고 있다.

화학기상증착법의 기본원리는 고온에서 탄소를 잘 흡착하거나 고용하는 금속을 촉매 층으로 이용해 그래핀을 합성하는 방법이다. 니켈(Ni)·구리(Cu) 등과 같은 금속 필름에 1,000℃ 근처의 고온에서 카본소스(예, 메탄, 유기물)와 수소의 혼합가스를 적당량 주입한다. 고온에서 주입된 혼합가스에서 탄소가 촉매 층과 반응한 후 냉각과정에서 탄소가 sp2 구조를 선별적으로 갖게 돼 금속 표면에 그래핀이 성장된다. 이후 식각용액을 활용해 촉매 금속층을 제거하면 그래핀을 원하는 기판에 전사할 수 있게 된다.

다양한 기판, 다양한 크기로 제작된 화학기상증착법 그래핀

○ SiC 에피텍시

SiC를 이용한 그래핀 성장법은 1975년부터 SiC기판 표면에 높은 온도를 가하면 흑연 단결정이 생성된다는 사실로부터 발전돼왔다. SiC를 이용한 에피텍시 성장법은 기판을 1,300도 정도 가열했을 때 결정내부에 포함돼있던 탄소가 실리콘의 선택적 증발에 의해 표면에 나타나면서 그래핀으로 성장하며 기판의 크기에 따라 생성된 그래핀의 크기가 결정된다는 점이 특징이다.

최근에는 LEEM·AFM·STM을 이용한 SiC 기판 위에서의 에피텍시 그래핀의 구조분석이 많이 이루어지고 있다. 하지만 화학기상증착법에 의한 그래핀이나 기계적 박리법으로 제작된 그래핀에 비해 물성이 상대적으로 좋지 못하고 제작 가격이 매우 비싸며 전사가 어렵다는 단점이 있다.

LEED․AFM․STM을 이용한 에피택시 그래핀의 분석

그래핀, 대면적·대량생산 기술 개발이 관건…韓, 다각적 접근 必

韓, CVD 합성분야 세계 선두, 반도체 기업들 사할 걸고 투자

○ 흑연 산화 제작법 (화학적 박리법)

흑연 산화 제작접(이하 화학적 박리법)은 산화제 혹은 계면활성제를 이용해 흑연을 화학적으로 한 층씩 분리해내는 방법으로 그래핀의 양산에 적합해 그래핀이 다량으로 필요한 응용에 적합한 제작법이다. 하지만 박리를 위한 산화 공정 후 환원 공정이 필요한데 잔류 산소에 의한 물성저하가 문제점으로 남아 다양한 환원 반응을 통해 산소함량과 결함을 줄이는 방법이 활발히 연구되고 있다.

일례로 산화과정을 거치지 않거나 부분적 산화과정을 거친 흑연에 계면활성제나 끝단 기능기화(edge functionalization) 등을 이용해 박리시키는 방법이 개발되고 있다. 하지만 아직까진 박리과정 중의 초음파처리 등에 의해 마이크로미터 크기의 작은 그래핀 조각이 형성돼 실용적인 수준의 면저항 특성을 얻기 어렵고 수율도 산화법에 비해 크게 떨어진다.

화학적 박리법은 기계적 박리법, 화학기상증착법에 의해 제조된 그래핀에 비해 물성이 떨어진다는 단점이 있다. 하지만 생산 비용이 낮고 용액공정과 대량생산에 용이해 얇은 필름형태뿐 아니라, 다른 물질과의 복합체 형성에 있어서 다른 제조공정과의 큰 차별성을 가지고 있다. 현재 많은 연구자들이 화학적 박리법을 이용해 그래핀의 응용분야를 넓혀가고 있다.

흑연 산화 제작법을 이용한 그래핀 필름 및 그 특성

○ 흑연 층간화합물 박리법 (층간화합물 박리법)

흑연의 층간은 공유결합만으로 구성된 그래핀 면과는 다르게 반데르발스 결합을 가지고 있고 이 층사이로 이종의 물질이 열역학적으로 안정되게 확산해 층간화합물을 형성하는 것이 1970년대의 연구로부터 널리 알려져 왔다. 일부 층간화합물은 초전도 특성을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 또한 다양한 형태의 층간화합물은 원자의 정렬과 입자의 이동현상 해석에 주요한 물질이었다. 더욱이 이차전지의 음극반응은 이러한 그래파이트의 층간화합물 형성에 기반을 두었고 배터리 특성을 높이기 위한 주요 연구 분야가 돼왔다.

흑연 층간화합물 형성은 알칼리 금속이나 금속염 또는 특정유기물에 의해 가능하며 층간화합물의 큰 층간간격과 층간 삽입후의 부반응 등을 활용해 비교적 낮은 가격으로 쉽게 비산화된 그래핀을 얻어낼 수 있음이 보고되고 있다. 이 방법은 양산성이 좋고 그래핀의 우수한 물성 확보가 가능하다. 최근 플레이크 타입의 그래핀 제조 방법에 대해 많은 연구가 집중되고 있다. 현재 값 싸고 안전한 층간삽입 공정과 낮은 공정온도를 얻기 위한 연구가 진행되고 있다. KAIST는 고융점 조성의 염이나 용액을 활용한 층간 박리법으로 높은 후열처리나 환원공정 없이 80% 투명도에서 1㏀/□ 미만의 면저항을 달성했다. 층간화합물 박리법은 제조과정에 평균 그래핀 플레이크 크기가 작아지는 문제점과 제작된 비산화 그래핀이 산화 그래핀과 달리 분산에 어려움이 있는데 다양한 기능기화 방법과 층간삽입물의 개발로 이러한 이슈들이 점차적으로 해결되고 있다.

흑연 층간화합물을 이용한 그래핀 생성법

◇ 그래핀 소재 물성제어 기술

○ 그래핀 도메인 제어 및 측정 기술

그래핀의 전기적 특성 및 소자 성능은 도메인 경계·층 수·결정성·도메인 크기에 의해 크게 영향을 받는다. 일반적으로 이러한 요인들은 전하와 포논의 산란 및 응력 집중 현상을 가져옴으로써 그래핀 고유의 특성을 저하시킨다. 특히 도메인 경계를 가로지르는 경우, 단일 결정을 지날 때에 비해 1.5~3배 정도 저항이 증가하며 그래핀 기반 소자 제작 시 불균일한 소자 특성의 원인이 된다. 따라서 다양한 방법으로 제작된 그래핀 내부에 도메인이 형성된 것을 확인하는 것은 최종소자의 물성을 예측하기 위해 매우 중요하다.

현재 구면수차 보정 고분해능 TEM이나 AFM·STM 등을 이용한 방법은 원자수준의 카본의 위치를 파악하는 놀라운 분해능을 보이지만 넓은 면적에서 그래핀의 도메인을 분석하는 것은 아직 쉽지 않다. TEM 회절과 프리에 변환을 통한 방법과 공액고분자와 그래핀의 자기조립현상을 응용한 액정배향 방법 등이 비교적 넓은 영역의 데이터를 제공하고 있으며 앞으로도 많은 연구가 필요하다.

TEM을 이용한 도메인 관찰

○ 그래핀 산화도 및 결함 제어기술

제작된 그래핀의 품질은 아직도 제작하는 연구팀마다 심지어 같은 장비에서도 배치(batch)마다 균일하지 않다는 것이 보고되고 있다. 아직도 그래핀의 이론 물성에 가까운 데이터들은 자연계나 특정조건에서 형성된 흑연을 스카치테이프를 활용해 박리한 샘플에서만 측정되는데 이는 그래핀의 결함제어가 잘 되지 않고 있다는 것을 증명한다. 그래핀 대면적 성장의 대표적인 CVD 방법의 물성저하 원인은 상술한 도메인 외에도 점결함(vacancy)이나 이종 물질에 의한 불순물 함량이 존재하는데 2차원 나노물질에 대한 결함 농도와 그 조절은 아직까지 측정도 쉽지 않고 초기 연구단계에 머물러 있다. 그래핀에서 산소 함량에 대한 해석이 많이 이루어진 이유는 흑연으로부터 그래핀 플레이크를 저비용 양산하는 흑연 산화제작법에서 최종 그래핀의 품질이 산화도로 간접적으로 평가되기 때문이다.

산화 그래핀을 다시 환원시켜 산소를 포함한 작용기를 제거해 주면 다시 그래핀과 유사한 특성을 나타내기 때문에 환원 반응을 통해 작용기를 완전히 제거할 수 있는 연구가 활발히 진행되고 있다.

대표적인 환원법은 액상 또는 기상의 하이드라진을 산화 그래핀에 노출시키는 방법으로 대부분의 작용기가 제거된다. 하지만, 이 방법의 경우 지금까지 보고된 바에 따르면 환원 과정에서 유독 가스가 발생하며 질소 원자가 그래핀 시트 표면에 흡착되는 단점이 있다.

KAIST에서 활발히 진행되고 있는 흑연 층간삽입물을 활용한 그래핀 플레이크 제작 연구는 이러한 단점을 극복하기 위한 새로운 그래핀 결함제어 기술이다. 그러나 아직은 원료 흑연의 물성에 크게 좌우되며 보다 능동적 개념의 결함제어는 더 많은 연구를 필요로 한다. 이러한 물성제어는 그래핀의 초고용량 커패시터 전극재료·이차전지·투명전극·나노잉크재료·초경량 재료·방열소재·배리어 소재 등의 실현을 위한 선결과제이다.

GIC 개념을 통해 제조된 그래핀

○ 그래핀 도핑 및 기능기화 기술

전술한 그래핀의 결함은 그것이 제어되지 않을 때는 문제이지만 특정 응용분야와 정보전자소재에서는 반드시 존재해야 하기도 한다. 도핑은 그 대표적인 예로 전하의 농도와 극성을 변화시켜 실제소자 제작이 가능하게 하는 핵심기술이다.

기존의 3차원 전자소재와 달리 그래핀은 2차원 소재로 도핑이 이종원소의 치환에 의해서만이 아니라 극성을 가지는 물질의 코팅이나 기능기화 등에 의해서도 가능하다는 특징이 있다. 최근 가스를 이용한 도핑뿐만 아니라 그래핀에 결함을 주지 않는 화학물질에 의한 도핑방법이 많이 연구되고 있다. 그래핀의 극성 변환의 용도가 전하 운송자의 조절에 있으면 ‘도핑 기술’이 되고, 용매에서 분산특성 개선이 그 목적이면 ‘기능기화 기술’이라 불리게 된다.

그래핀 및 산화 그래핀의 다양한 공유 기능기화

■ 기술개발 주요이슈

◇그래핀 소재의 대면적, 대량생산 기술 개발

산화·환원법을 이용한 화학적 박리법과 팽창박리법의 경우 그래핀 플레이크를 대량생산할 수는 있지만 아직도 공정의 개선여지가 있다. 많은 경우 유독물질을 사용하기 때문에 환경 친화적이지 못하다. 또한 이러한 흑연박리방법의 경우 특성이 기존에 보고됐던 그래핀의 물성에 비해 현저히 떨어져서 기대에 못 미치는 성능으로 상업적으로 사용하기에 어려움이 있는 실정이다.

이에 비해 화학기상증착법을 이용한 그래핀의 경우 그래핀의 고유물성에 보다 가까운 특성을 나타내고 있지만 대량생산 및 가격경쟁력 면에서 개선이 필요하다. 특히 값비싼 구리를 촉매 금속으로 사용하고 식각하고 전사하는 공정은 큰 비용과 소재신뢰성에 영향을 끼친다.

최근 KAIST는 금속을 여러 번 활용하는 기술을 개발하고 이에 대한 해결책을 적극적으로 모색하고 있다. 흑연으로부터 생산되는 비산화 그래핀의 제조는 품질 및 양산성을 동시에 해결할 가능성이 있다. 그러나 산화 그래핀 플레이크 제작법에 비해 초기단계로 제조 메커니즘의 정확한 이해와 제조된 그래핀 플레이크의 다양한 물리적·전기적 특성평가 및 응용에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

그래핀 세계 시장 규모, 2015년 123억불…2030년 6천억불 전망

정부, 단기간 성과 위주 지원 벗어나 장기적 관점의 연구 지원 必

◇ 그래핀의 도핑 및 기능기화 기술 개발

그래핀을 전자소자로 사용하기 위해서는 그래핀의 밴드갭을 열거나 균일한 물성을 얻는 것이 선결돼야 한다. 세미메탈에 가까운 금속성을 갖고 있는 그래핀을 반도체 재료로 응용하기 위해서는 그래핀의 일함수 및 밴드갭을 조절하기 위한 노력이 필요하다. 최근 그래핀을 용액 상에서 기능기화시켜 분산성 및 일함수를 조절하는 연구가 많이 진행되고 있다.

또한 그래핀에 화학적인 도핑(doping)에 대한 연구도 도핑이펙트와 관련해 정량화된 데이터가 필요하며 그 경향성도 좀 더 명확히 밝혀져야 한다. 최근 많은 연구 그룹들이 Borazine과 Ammonia를 첨가해 그래핀을 만들면서 동시에 보론(B)과 질소(N)의 도핑을 시도하고 있다. 이와 같이 그래핀을 형성하면서 그곳에 직접 도핑을 하는 것과 동시에 기판에 적당한 화학물질이나 플라즈마 처리를 해서 전기적으로 전자나 정공(hole)을 유도해 도핑을 행하는 다양한 시도가 진행되고 있다.

◇ 그래핀의 전사기술개발

생성된 그래핀을 결함 없이 여러 가지 적용 가능한 기판에 전사시키는 연구도 선결돼져야 하는 문제이다. 최근 연구에 의하면 그래핀의 생성과정 뿐만 아니라 그래핀의 전사과정에서도 상당한 결함이 발생되며 이는 그래핀의 물성을 저하시키는데 큰 역할을 한다고 보고됐다.

PDMS(polydimethylsiolxane)를 이용한 전사 및 그래핀 플레이크의 필터링 기술 이외에도 저온 화학기상증착법을 이용한 실리콘 기판에 전사 없이 바로 성장시키는 방법, 롤투롤(roll to roll)방법을 이용한 대면적 그래핀의 전사 방법이 최근 개발되고 있다.

전사과정에서 그래핀의 접힘 현상이나 찢어짐 현상 및 도핑을 방지하기 위한 다양한 시도가 진행되고 있다. 또한 전사대상이 되는 기판도 그래핀이 산화실리콘보다 BN 등의 2차원 소재 위에서 훨씬 우수한 성능을 발휘하는 것으로 보고돼 있어 전사기판 제작기술도 주요한 개발 이슈가 되고 있다.

■ 해외 동향

그래핀의 중요성으로 인해 미국, 유럽, 싱가폴 등 그래핀 연구 선도 국가들은 정부차원의 체계적인 중장기 연구 지원 계획을 바탕으로 기초원천연구 분야에 집중적인 투자를 진행하고 있다.

■ 해외 동향-미국

◇ 연구개발 현황

미국방성 산하 국방첨단연구기획청(DARPA)는 Carbon Electronics for RF Application(CERA) 과제를 추진하고 있다. 2011년까지 총 3천만달러를 투자해 8 인치급의 그래핀 웨이프(wafer) 제작, 층 수 제어 및 고속 RF 소자 개발을 추진했다. IBM·인텔·MIT·콜롬비아대학 등이 전 세계 그래핀 응용연구를 선도하고 있다. 고성능 RF 그래핀의 경우 IBM·HRL(Hughes Research Laboratories)이 선두주자이다. MIT는 그래핀-Si hybrid 소자에 대한 연구를 활발히 진행하고 있다.

그래핀 소재 - 미국의 선도 기관

■ 해외 동향-유럽

◇ 연구개발 현황

유럽에서의 그래핀 연구는 맨체스터 대학 등에서 산발적 과제 진행이 이루어져 왔으나, 그래핀 노벨상 수상 이후 10년간 연 1억유로 수준의 Mega Project(Graphene 2020)를 추진하고 있다.

최근 영국정부는 5천만 파운드(한화 약 920억원)에 달하는 그래핀 프로젝트를 승인, 맨체스터대학을 중심으로 영국 내에 그래핀 기초 및 응용연구 허브를 구축해 세계적인 주도권을 확보하는 것을 목표로 하고 있다.

그래핀 소재 - 유럽의 선도 기관

■ 해외 동향- 일본

◇ 연구개발 현황

경제산업성 산하의 산업기술총합연구소(AIST)를 중심으로 그래핀 기초 및 응용연구를 집중 지원하고 있다. 2010년 투자규모는 약 140억원에 달하고 있다. Masataka Hasegawa 박사를 중심으로 플라즈마를 이용해 낮은 온도에서 그래핀을 합성하는 새로운 방법에 대해 집중 연구하며 응용기술개발을 추진하고 있다.

그래핀 소재 - 일본의 선도 기관

■ 해외 동향-싱가포르

경제규모가 우리보다 훨씬 작은 편인 싱가포르에서도 2011년 1월 싱가포르국립대학교(National University of Singapore; NUS)에 총 5,000만달러를 투자해 국립 그래핀 연구센터를 설립했으며, 미국 보스톤대학의 Antonio Catro-Neto 교수 등 그래핀 분야의 세계적 석학을 영입해 연구에 매진하고 있다.

■ 국내 동향

◇ 연구개발 현황

최근 상용화 가능한 그래핀 합성기술이 개발되면서 일부 대학, 기업 및 연구소에서 그래핀 관련 연구가 활발히 진행되고 있다. 주로 CVD와 흑연의 화학적 박리 방식에 의한 소재합성 기술과 이를 응용한 투명전극 및 부품· 소재 분야에 집중하고 있다. 대량 생산이 비교적 쉬우며 다양한 기능성 복합재료로의 응용이 기대되는 저온 화학적 박리에 의한 그래핀 합성기술이 국내 대학에서 최근 개발됐다.

대학을 중심으로 반도체 소자 분야에의 적용을 위한 기초 특성 연구가 일부 진행 중이며, 반도체 관련 기업의 응용 소자 개발을 위한 연구를 진행하고 있다. 특히, 삼성종합기술원·성균관대·KAIST·포스텍·ETRI 등에서 그래핀 반도체 소자화 기술개발을 진행하고 있다. KAIST·ETRI는 세계최초로 산화그래핀을 이용한 플렉서블 비휘발성 메모리소자로의 응용가능성을 입증했다.

그래핀 소재 - 국내의 선도 기관

그래핀 소재 – 기술격차 및 기술수준

■ 산업 및 시장 동향

◇ 산업동향

그래핀의 산업화는 미국에서 XG Science 등 몇 개의 벤처회사가 주도하고 있다. 일부 양산 체제를 갖춘 경우도 있지만 생산량이 아직 미미하며 가격도 활성탄소나 흑연분말에 비해 높다. 일부 반도체 관련 기업에서 CVD 그래핀을 적용한 반도체 소자 응용 관련 연구가 진행되고 있다. 특히 고주파소자의 경우 미국의 IBM이 선도하고 있다. NIT·Graphenea·Graphene supermarket은 5 layers 이하의 그래핀 플레이크와 화학기상증착공정을 통한 그래핀을 제조하고 있다. 세계 최대의 그래핀 생산 회사인 Angstron사는 삼성에 이어 2번째로 많은 특허를 보유하고 있다.

국내에서는 넥스텍 등의 중소기업이 그래핀 플레이크 양산화 기술을 테스트하고 있는 중이다. 삼성·LG·포스코를 비롯한 여러 대기업들은 원료 생산 및 응용 기술개발에 큰 관심을 가지고 있다. 그래핀 플레이크의 경우 철강공정의 부산물을 재활용한 대량생산 공법을 현재 포스코와 현대제철을 중심으로 개발 중이다. 특히 플렉시블 전자기기 시장이 형성될 것으로 예상되는 5~7년 후에 집중적으로 그래핀에 대한 수요가 증가할 것으로 기대된다.

그래핀 소재 - 국내외 산업동향

그래핀 소재 - 국내외 산업동향(단위: 억달러)

■ 미래의 연구방향 및 국내 산업이 나아갈 방향

◇ 미래의 연구방향

그래핀을 이용해 다양한 정보전자 소자를 제작하고자 하는 많은 시도가 다양하게 진행되고 있다. 특히 차세대 반도체 소자를 구현할 소재로서 그래핀의 위상은 날로 높아만 가고 있다. 현재로는 5nm급 이하의 CMOS 반도체 소자를 대체하기 위한 연구가 전세계적으로 치열하다. 그러나 차세대 논리소자의 구현을 위해서는 온/오프 전류비 및 전하 이동도의 확보 등 넘어야 할 문제가 아직도 많이 남아있다.

이에 비해 아날로그나 RF 소자로서의 응용은 그래핀이 밴드갭은 없지만 전하이동도가 큰 장점을 응용할 수 있기에 보다 짧은 기간 안에 상업화 가능성이 높은 것으로 판단된다. 그러나 논리소자나 아날로그 소자 모두 실리콘 기반으로 지난 30~40년간 성장 발전한 반도체 기술의 연장선상에서 그래핀 소자화를 구현하려고 하는 것이다. 이는 그래핀의 고유 특성을 살리지 못하고 실리콘에 가장 적합한 소자 아키텍쳐에 억지로 그래핀을 대체하는 우를 범하고 있는 것이다. 따라서 향후 그래핀에 가장 적합한 소자 구조를 찾아내고 제안하는 것이 큰 연구의 트렌드가 될 것이다.

상기한 정보전자 소자의 실현은 소재로서의 그래핀을 완벽히 이해하고 결함과 도핑을 포함한 완벽한 소재레벨에서의 컨트롤이 가능한 시점에서야 가능할 것이므로 다양한 학제간 연구를 통해 점진적으로 발전해 나갈 것으로 예상된다.

또한 2차원의 형태로 존재하는 다양한 물질과의 결합은 그래핀 연구를 더욱더 풍성하게 할 것이며 이를 기반으로 하는 새로운 소자 아키텍쳐 제시도 활발하게 이루어질 것이다.

전술한 자료를 토대로 미래의 그래핀 연구 주제를 요약하면 다음과 같다.

그래핀에서 발견된 quantum hall effect 외의 새로운 자기적·전기적 현상을 발견하고 그에 기초한 새로운 아키텍쳐의 정보전자소자 연구
그래핀의 기능화 혹은 다른 이차원 물질과의 하이브리드 구조 형성 등을 통한 완전히 새로운 정보전자 소재 연구
그래핀의 다양한 응용을 위해서 필요한 기초연구로서 그래핀의 도핑 및 일함수 등을 쉽게 조절하는 방법을 제시하고, 대면적 합성 및 양산 관련 연구
그래핀의 새로운 전기/광학/화학/기계적 특성을 이용한 신개념 응용기술 탐색 연구
- 그래핀의 뛰어난 열전달 현상을 이용한 열방출 소자
- 그래핀의 비선형 광학현상을 이용한 광통신 소자
- 매우 낮은 가스 투과도를 이용한 encapsulation barrier
- 특정 분자와의 결합에 의한 전기화학적 특성 변화를 응용한 바이오 진단 소자 등

■ 국내 산업이 나아갈 방향

◇ 균형잡힌 기초·응용연구 진흥정책 수립

컬럼비아대학의 김필립 교수의 큰 공헌을 통해 한국의 그래핀 연구 1세대는 비교적 초기에 그래핀 연구에 접할 수 있었고 단기간에 세계적 수준의 연구 성과를 쌓아가고 있다. 많은 이들이 우리나라 과학 분야의 노벨상을 기대하고 있고 실제로 그래핀은 그 꿈에 가장 가까이 갔던 주제 중에 하나였다라고 평가하지만 앞으로도 새로운 노벨상이 나올 수 있는 가능성도 매우 높다.

하지만 현재 정부 주도의 그래핀 진흥책은 단기간의 성과와 상업화에 초점을 맞추고 있는 인상을 주고 있으며 일부 연구들 역시 그래핀의 근본적인 특성 향상이나 발현보다는 기존의 것들에 단순히 적용해 보거나 섞어보는 수준에 머무르는 경우들도 종종 목격된다.

그래핀은 다가오는 세대에 재료 공학의 새로운 도전으로 물리·화학 관련의 기초연구 업적이 튼튼하게 쌓여야지만 세계를 선도하는 연구와 상용화가 가능할 것이다. 기초와 응용의 연구가 동시에 체계적으로 진행될 필요가 있기에 적절한 연구 진흥 정책이 절실히 필요하다.

◇ 장기적 연구지원 및 선택과 집중 연구개발 추진

그래핀은 잠재력이 무궁무진한 것은 사실이지만 마법의 물질이 아니라 오래전부터 우리 주변에서 흔히 보이는 흑연 안에서 잠자고 있던 거인이다. 그 거인을 깨워 우리의 소원을 들어주는 마법의 물질로 만들기 위해서는 오랜 기간동안 꾸준히 정진할 수 있는 연구환경과 지원이 이루어져야 한다. 단순히 유행하는 연구가 아니라 이제 그래핀의 가능성과 한계를 명확히 깨닫고 옥석을 가려내는 작업이 차분히 진행된다면 그래핀은 국가 발전에 큰 공헌을 하리라 믿는다.