KAIST(총장 강성모) 전기및전자공학과 최성율(45) 교수 연구팀은 단원자층 그래핀을 금속촉매기판에서 직접 떼어내는 동시에 원하는 기판에 도장을 찍듯 자유롭게 옮길 수 있는 기술을 개발하는데 성공했다고 19일 밝혔다.
그래핀을 원하는 기판으로 옮기기 위해 현재 가장 널리 사용하는 방법으로는 습식전사법이 있지만 전사과정 중에 그래핀이 물리적으로 손상되고 표면이 오염 될 수 있어 전사된 그래핀의 전기적 특성이 심각하게 훼손될 수 있다는 단점이 있다.
최 교수 연구팀은 금속촉매기판 위에 성장된 그래핀을 수용성 고분자 용액으로 처리한 후 동일한 수용성 고분자 지지층을 그 위에 형성시켰다. 이 과정을 통해 지지층과 그래핀 사이에 강한 결합력이 형성되고 그 후 지지층을 탄성체 스탬프로 떼어내면 지지층과 함께 그래핀이 금속촉매기판으로부터 분리된다.
이렇게 분리된 그래핀은 탄성체 스탬프에 고립상태로 존재하기 때문에 원하는 기판 어디에든 도장 찍어내듯 자유롭게 옮길 수 있으며, 금속촉매기판을 재활용 할 수 있는 것은 물론 유해한 화학물질을 전혀 사용하지 않아 친환경적인 전사법 이라는 장점도 가지고 있다.
이 기술을 활용하면 기존의 직접박리 기반 전사공정으로 달성하기 어려웠던 그래핀 박막 적층, 구조물 표면이나 유연한 기판으로 전사, 4인치 웨이퍼 크기의 대면적 전사 등이 가능해진다. 향후 웨어러블 스마트기기 등 다양한 분야에 사용되는 그래핀 전자소자 상용화에 활용될 전망이다.
최 교수는 “개발된 그래핀 전사방법은 그 공정이 범용적이고 대면적 전사도 가능하므로 그래핀 전자소자 상용화에 기여할 수 있을 것”이라며 “이 방법이 가지고 있는 높은 전사 자유도로 인해 향후 그래핀과 2차원 소재 접합 나노소자 구현에도 다양하게 활용될 것으로 기대된다”고 연구의의를 밝혔다.
연구 결과는 나노 및 마이크로 과학 분야의 국제 학술지 스몰(small) 1월 14일자 표지논문으로 게재됐다.
이번 연구는 KAIST 전기및전자공학과 최성율 교수와 양상윤 연구교수가 주도하고 같은 과 조병진 교수, 한국전자통신연구원 최춘기 박사가 참여했으며, 미래창조과학부가 추진하는 글로벌 프론티어 사업인 ‘나노기반 소프트일렉트로닉스 연구단’의 지원으로 수행됐다.
◇용어설명
1. 그래핀 (Graphene)
연필심으로 쓰이는 흑연에서 가장 얇게 한 겹을 떼어낸 물질. 두께는 0.2nm(1nm은 10억 분의 1m) 즉 100억 분의 2m 정도로 굉장히 얇고 물리적·화학적 안정성도 높음. 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 탄성이 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않음. 구부릴 수 있는 디스플레이나 전자종이, 착용식 컴퓨터(wearable computer) 등을 만들 수 있는 전자정보 산업분야의 미래 신소재로 주목받고 있음.
2. 화학기상증착법 (Chemical Vapor Deposition)
기체상태의 원료물질을 가열된 기판 표면에 공급하고, 기판 표면에서의 화학반응에 의하여 원하는 화합물을 형성하는 방법. 대면적의 그래핀 합성에는 대부분 화학기상증착법이 이용되고 있다.
3. 대상기판 (Target substrate)
전사과정을 통하여 그래핀이 최종적으로 옮겨지는 기판
4. 습식전사법 (Wet transfer)
그래핀 합성에 사용된 금속촉매기판을 습식식각하여 그래핀 박막이 물에 띄워져 있는 고립상태(isolated state)를 만든 후, 이를 원하는 대상기판으로 건져내어 전사된 그래핀을 얻는 방법
5. 고립상태의 그래핀 (Isolated state of graphene)
전사과정 중, 그래핀이 어느 기판 위에도 놓여있지 않고 그래핀 박막 자체로만 존재하는 일종의 중간 상태
6. 전사 자유도 (Degree of freedom in transfer process)
전사과정에서 그래핀을 옮길 수 있는 대상기판에 제한이 있는가에 대한 척도. 높은 전사 자유도라 함은 어떤 형태의 대상기판에도 그래핀을 옮길 수 있어 우리가 원하는 형태의 계면을 자유롭게 형성할 수 있는 것을 의미함 (예: 그래핀/절연층 계면, 혹은 그래핀/도체, 그래핀/반도체 계면)
7. 전사 인쇄 (Transfer printing)
고성능 유연전자소자를 제작하기 위해 사용되는 최신기술. 고성능의 전자소자를 웨이퍼 등에 미리 제작한 후, 탄성체 스탬프 등을 이용하여 이를 떼어내어 우리가 원하는 대상기판에 옮겨 전자소자 시스템을 구현하는 기술. 공정온도가 높은 전자소자로 구성된 시스템을 플라스틱 유연기판 위에 만들 때 특히 유리함.
