[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 펑딩 그룹리더(UNIST 특훈교수) 팀은 중국, 스위스 연구진과 함께 신문처럼 돌돌 말리는 저전력·고성능 롤러블 디스플레이 상용화를 위한 핵심기술을 개발했다고 23일 밝혔다.

연구진은 수 ㎟ 크기로 제조하는 것이 한계였던 단결정 2차원 화이트 그래핀을 최대 100㎠의 대면적으로 제조하는 데 성공했다. 이는 반도체 제작 공정에 바로 적용할 수 있는 크기다.

연구결과는 세계 최고 권위의 학술지 네이처(Nature) 온라인판에 이날 오전 2시(한국시간) 게재됐다.

연구진에 따르면 단결정(Monocrystal)은 원자의 배열과 배향이 규칙적인 소재로 열과 전기 전도도가 우수하고 전자기기에 적용하면 적은 전력으로 높은 성능을 낼 수 있다.

2차원 단결정 육방정계 질화붕소(h-BN)의 성장과정 : 그림 (a)는 단결정 구리(Cu) 금속 포일 위에 놓인 일정 방향성의 원자 배열을 갖는 h-BN 단결정의 모습이다. 질소(N)와 붕소(B)가 이루는 기본 단위가 삼각형 형태임을 확인할 수 있다. 연구진은 여러 분석 장비를 이용해 분석 결과, 구리 금속 포일에서 성장시킨 2차원 h-BN이 원자의 배열과 배향이 일정한 단결정 형태임을 확인했다. [자료=IBS]

2차원 화이트 그래핀(h-BN)은 붕소(B)와 질소(N)가 삼각형 형태로 놓인 원자 1-2개 층 두께의 2차원 물질로, 그래핀과 달리 절연 특성으로 2차원 부도체로 응용 가능하다.

롤러블 디스플레이의 상용화를 위해서는 딱딱한 실리콘 대신 얇고 신축성 있는 2차원 재료(원자 1-2개 층 두께)가 필요하고 단결정을 사용할 경우 기기의 성능 또한 대폭 높아진다.

아직까지 그래핀 외에는 2차원 단결정 소재를 상용화할 수 있는 크기의 대면적으로 제작한 사례는 없었다.

연구진은 시뮬레이션 연구를 통해 합성하려는 소재보다 표면 대칭성이 낮은 기판을 사용하면 다양한 2차원 단결정 소재를 대면적으로 성장시킬 수 있다는 합성 공식을 찾아냈다.

연구진은 이 원리에 착안, 표면 대칭성이 낮은 구리 기판을 사용해 부도체인 2차원 단결정 화이트 그래핀을 가로·세로 10㎝의 대면적으로 제조하는 데 성공했다.

도체인 그래핀만으로는 전원이 켜졌다가 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 있게 된 것이다.

이번 연구로 대면적 제작 기술의 한계로 인해 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 낸다”며 “실리콘 이후 차세대 반도체 시장의 문을 연 것으로 지금껏 상상하지 못했던 새로운 물성을 전자기기를 구현하는 데 기여할 것”이라고 말했다.

kimys@newspim.com