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161 검색 결과: 그래핀

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초평탄 그래핀 박막 개발 성공

난징대학교 물리학부 가오리보(高力波) 연구팀은 초평탄 그래핀 박막의 제어 가능한 성장을 구현함과 아울러 동 성장방법의 내재적 메커니즘 즉 양성자 보조 성장을 발견하였다. 이는 플렉시블 전자학, 고주파 트랜지스터 등 중요 연구영역에 널리 보급될 전망이다. 해당 성과는 “양성자 보조 성장 초평탄 그래핀 박막”이란 제목으로 “Nature”에 게재되었다.
화학기상증착법(CVD)에 의한 그래핀 성장은 현재 대면적, 고품질의 단결정 결정립 또는 박막 제조에서 가장 주요한 방법이다. 하지만 그래핀과 기질재료가 강결합작용으로 인해 그래핀 성장과정에서 주름이 생길 수 있다. 그래핀과 성장 매트릭스의 열팽창률 차이에서 생기는 CVD 그래핀 주름은 그 물리성질에 영향을 끼치는 주요 걸림돌이다. 이러한 현상은 대규모 균일 박막 제조를 제한함과 아울러 2차원 재료의 더한층 개발·응용을 방해한다. 연구팀은 대량 실험에 대한 종합분석에 기반해 고비율의 뜨거운 수소(H2)가 그래핀과 성장 매트릭스 간 결합작용을 일정한 정도로 약화시킴을 발견했다. 또한 이론적 시뮬레이션을 통해 그래핀과 구리 매트릭스 간 수소가 대농도, 고온 조건에서 양자 결합을 약화시키는 역할을 함을 발견했다. 뜨거운 수소 성분에서 양성자와 전자는 그래핀의 벌집격자(honeycomb lattice) 사이를 자유로이 오갈 수 있다는데 비추어 연구팀은 그래핀을 통과한 양성자와 전자가 일정한 확률로 재차 수소로 결합할 것으로 추정했다.
양성자 밀도를 증가시키는 것은 양자 결합작용을 약화시키는 핵심 경로이다. 연구팀은 수소 플라즈마(hydrogen plasma)를 이용해 주름진 그래핀 박막을 처리했다. 또한 고온 보조 조건에서 그래핀 주름을 점차 제거했다. 다시 말해 그래핀 성장시 수소 플라즈마를 도입해 성장시킨 그래핀은 완전 주름지지 않는다.
해당 그래핀 박막의 초평탄 특성으로 인해 그래핀 표면의 기타 물질 제거 특히, 그래핀 전이시 잔류한 전이매질 PMMA 청결이 쉬운 장점을 보유한다.
이외, 초평탄 그래핀 박막의 대형, 고품질 장점을 부각시키기 위해 연구팀은 2μm, 20μm, 100μm, 500μm 선폭에서 그래핀 양자홀효과를 측정했다. 기존 그래핀 양자홀 효과 발생시 최대 선폭이 50μm인데 비해 초평탄 그래핀 박막 양자홀 효과 발생 임계치 조건은 1μm 선폭에서 측정한 고유 그래핀과 거의 일치하였다. 더 중요한 것은 다양한 선폭 측정 플랫폼에서 발생한 임계치는 거의 변함이 없었다. 이는 주름을 제거해야만 대형 그래핀의 균질화, 고품질을 최대한 구현할 수 있음을 의미한다. 양성자보조 CVD법은 그래핀의 고유성질을 최대한 유지함과 아울러 향후 기타 종류 나노재료 제조에 보편성을 지닐 전망이다.

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플라즈마를 이용한 그래핀 거시적 제조 달성

중국과학기술대학교 공학과학대학 열과학·에너지공학학부 샤웨이둥(夏維東) 연구팀은 “자기분산 전기 아크(Magnetically Dispersed Electric Arc)에서 생성된 대면적 균일 열플라즈마를 이용한 그래핀 합성” 새 방법을 제안하여 열플라즈마 공법의 에너지 소모가 높고 제품 균일성이 낮으며 생산 안정성이 부족한 등 기술 어려움을 해결함으로써 대규모 연속 생산을 달성할 전망이다. 해당 성과는 “Carbon”에 게재됐다.
그래핀은 에너지 환경, 생물의료, 전자 소자, 화공 및 항공우주 등 여러 분야에서 중요한 응용 전망을 보유하고 있는 미래 혁신적인 기능/구조 재료로 인정받고 있다. 하지만 무선주파수 감응 가열 및 마이크로파 가열 플라즈마를 이용한 그래핀 제조는 에너지 소모가 높기에 산업화 응용이 어렵다. 또한 열플라즈마 열분해 탄화수소 화합물에 의한 그래핀 제조는 플라즈마 전기전도율이 온도의 증가에 따라 신속하게 상승하기에 전기 아크의 자동적인 매우 작은 범위 수축을 유발하여 그래핀 합성에 밀리초 수준의 반응 시간을 요구하므로 균일 가열을 달성하기 어려워 제품의 균일성이 차하고 에너지 소모가 높다.
연구팀은 자기 분산 전기 아크에 의한 대면적 균일 플라즈마 생성 기술을 개발하여 플라즈마로 물질을 신속하게 균일 가열하는 문제를 해결했다. 해당 기술로 제조한 그래핀 평면 크기는 50~300nm, 층수는 2~5층으로 양호한 결정구조 및 거대한 비표면적을 나타내고 제품 균일성이 우수했다. 또한 제조 방법 및 설비가 간단하여 1단계 합성이 가능하고 환원 과정이 필요 없을 뿐만 아니라 기질, 촉매, 용액 및 산(Acid)이 필요 없으며 고수율, 저에너지 소모, 저원가 등 장점을 보유하고 있기에 저원가 대규모 연속 생산을 달성할 수 있다.
해당 연구는 플라즈마 파라미터, 원료 기체 조성 및 나노 그래핀 형태, 층수 및 결함 사이의 관계를 연구함과 아울러 고순도 그래핀 생산에 요구되는 공법 조건을 규명했다. 또한 플라즈마 반응기 유동장/온도장 수치 시뮬레이션과 화학반응 동역학적 계산을 결합하여 그래핀의 형성 메커니즘을 제안함으로써 제품 생산 제어에 이론적 지침을 제공했다.

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티탄산나트륨과 그래핀을 이용하여 고에너지, 고출력 마이크로 커패시터 개발

중국과학원 다롄(大連)화학물리연구소 우중솨이(吳忠帥) 연구팀과 바오신허(包信和) 연구팀은 공동으로 성게형 티탄산나트륨과 다공성 활성화 그래핀을 결합하여 고에너지밀도, 고내열성을 보유한 유연성 나트륨이온 마이크로 슈퍼커패시터를 개발했다.
마이크로 센서, 마이크로 로봇, 자가동력 마이크로 시스템 등은 마이크로 전기화학 에너지저장 소자를 떠날 수 없다. 해당 소자는 전극 크기가 μm 범위인 소형 전원으로서 유연성, 마이크로화, 지능화 집적 전자 제품의 핵심 전원으로 인정되고 있으며 현재 주로 마이크로 배터리, 마이크로 슈퍼커패시터 및 하이브리드 슈퍼커패시터로 분류한다.
마이크로 배터리는 고에너지밀도를 보유하고 있지만 출력밀도가 낮고 마이크로 슈퍼커패시터는 고출력밀도를 보유하고 있지만 에너지밀도가 낮다. 리튬이온 마이크로 슈퍼커패시터를 대표로 하는 하이브리드 슈퍼커패시터는 마이크로 배터리의 고에너지밀도 장점과 마이크로 슈퍼커패시터의 고출력밀도 장점을 동시에 보유한 신형 마이크로 전기화학 에너지저장 소자이다.
리튬이온 마이크로 슈퍼커패시터는 상기 장점을 보유하고 있지만 규모화 응용 면에서 금속 리튬의 자원 제한 및 비교적 높은 개발원가(리튬의 지각 내 함량은 0.006%) 제한을 받고 있다. 나트륨 자원은 지구자원의 약 2.74%에 달하기에 개발원가가 저렴하며 전기화학적 성질도 리튬과 유사하다. 따라서 나트륨이온 마이크로 슈퍼커패시터 개발은 중요한 응용 전망을 보유하고 있다.
연구팀은 성게형 티탄산나트륨을 배터리형 음극으로 하고 다공성 활성화 그래핀을 커패시터형 양극으로 했으며 고압 이온액체 겔 전해액을 결합하여 유연성 나트륨이온 마이크로 슈퍼배터리를 성공적으로 제조했다. 또한 배터리형 음극과 커패시터형 양극의 효과적인 결합을 통해 나트륨이온 마이크로 슈퍼커패시터가 3.5V의 고전압 조건에서 안정적으로 작동하게 했고 에너지밀도를 37.1MWh/cm3에 도달시킴과 아울러 초저 자가 방전 속도를 달성했다.
나트륨이온 마이크로 슈퍼커패시터는 다방향 신속 이온 확산 통로를 보유하고 있기에 전하이동 저항을 대폭 감소시킴과 아울러 출력밀도를 뚜렷하게 향상시킬 수 있다. 동시에 소자의 평면기하학적 구조 및 이온 겔 전해액의 비가연성으로 해당 마이크로 소자는 양호한 기계적 유연성 및 80℃ 고온 안정성을 보유하고 있다.

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전압 변화시켜 이중층 그래핀의 초전도 제어

스페인, 미국, 중국, 일본 등 국가의 전문가들로 구성된 국제연구팀은 매우 작은 전압 변화만으로도 이중층 그래핀(bi-layer graphene)의 초전도성을 개폐할 수 있음으로 전자설비에서의 용도를 개선할 수 있음을 발견했다. 이는 앞서 수행된 왜곡 이중층 그래핀 및 그에서 표현된 초전도/절연영역 교체 능력 관련 연구를 기반으로 획득한 새 발견이다.
2011년에 텍사스대학교 오스틴캠퍼스의 이론물리학자 Allan MacDonald 등은 2차원 재료의 한 원자층이 상대적으로 다른 원자층에 비해 조금 왜곡될 시 적층 2D 재료에서의 전자 거동을 설명할 수 있는 모형을 연구했다. 관련 연구방법을 왜곡 이중층 그래핀에 응용한 결과, 약 1.1°의 매우 특정적인 각도(마법의 각)에서 전자 이동속도가 갑자기 100배 이상 느려지는 등 기이한 비정상적 운동방식을 나타냈다.
2018년에 매사추세츠공과대학교 물리학자는 최초로 1.1° 왜곡된 층상 그래핀시스템을 구축했다. 해당 그래핀시스템은 탁월한 성능을 나타냈는데 특히 고온 조건에서 예상외로 초전도성을 보유했다.
그 후 왜곡 이중층 그랜핀에서 초전도성이 발견되면서 Twistronics 회전각전자학이라 불리는 새 학문분야가 탄생해 연구 붐을 일으켰다.
층상 2D재료의 기이한 속성은 아마도 입자 간 상호작용과 연관이 있다. 전자가 속도를 늦출시 상호작용이 더 부각되어 각 전자 간의 상관성은 강해진다. 일반적으로 전자는 원자궤도에서 거의 제각각 원자핵을 둘러싸고 돌며 가장 적은 유효에너지로 양자상태에 진입한다. 하지만 “마법의 각” 그래핀에서는 다르다. 다시 말해 전자의 운명이 전자 간 상호작용에 의해 결정될 경우 재미있는 현상이 발생한다.
최근 몇 년 동안 MacDonald 연구팀은 3,4,5층 그래핀과 기타 유망한 재료 특히 전이금속 칼코게나이드(chalcogenide)의 적층방식 연구를 통해 비범하면서도 유용한 현상을 탐색 중이다.
최근 국제연구팀은 “마법의 각” 그래핀 재료가 교체적 초전도 및 절연상(insulating phase)을 나타낼 수 있으며 또한 매우 낮은 전압변화 조건에서 개폐됨을 발견했다. 이는 집적회로에 사용하는 전압과 유사해 전자설비에서의 실용성을 증대시킨다. 해당 결과를 얻기 위해 카탈루냐광학물리연구소 연구팀은 왜곡도가 기존보다 향상된 그래핀 초격자를 제조해 교차 절연상태/초전도상태 패턴이 생각보다 복잡함을 발견했다. 상기 “마법의 각” 그래핀 관련 연구 성과는 “Nature”에 게재되었다.

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그래핀 베이스 고속 트랜지스터 제조

중국과학원 금속연구소 선양(沈陽)재료과학 국가연구센터 선진탄소재료연구부 연구팀은 최초로 쇼트키 접합(Schottky junction)을 이미터 접합(Emitter junction)으로 하는 수직구조 트랜지스터 “규소-그래핀-게르마늄 트랜지스터”를 개발하여 그래핀 베이스 영역 트랜지스터의 지연시간을 1,000배 이상 단축시킴과 아울러 차단주파수를 MHz에서 GHz 영역으로 향상시킴으로써 향후 THz 영역의 고속 소자에 응용될 전망이다. 해당 성과는 “Nature Communications”에 온라인으로 게재됐다.
1947년, 벨 실험실에서 첫 양극성 접합 트랜지스터(Bipolar junction transistor, BJT)를 개발하여 인류사회의 정보기술 새 시대를 열었다. 지난 십여 년 동안 BJT의 작동 주파수 향상이 연구의 핵심으로 되었으며 바이폴러 트랜지스터(HBT) 및 열전자 트랜지스트(HET) 등 고속 소자가 개발됐다. 하지만 주파수를 한층 더 향상시키는 과정에서 HBT의 차단주파수는 최종적으로 베이스 영역 주행시간의 제한을 받고 HET는 무공극, 저저항초박형 금속 베이스 영역 제조가 어려운 문제점이 존재한다.
최근 그래핀은 성능이 뛰어난 2차원 재료로 떠오르고 있다. 따라서 그래핀을 베이스 영역 재료로 트랜지스터를 제조할 데 관한 방안이 제안됐다. 그래핀의 원자급 두께로 베이스 영역 주행시간의 제한을 제거할 수 있을 뿐만 아니라 그래핀의 초고속 캐리어 이동도(Carrier mobility)로 고품질 저저항 베이스 영역 달성을 일조할 수 있다.
기존의 그래핀 베이스 영역 트랜지스터는 보편적으로 터널 이미터 접합을 사용했다. 따라서 터널 이미터 접합의 퍼텐셜 장벽은 해당 트랜지스터 기반 고속 전자소자 개발을 매우 크게 제한했다. 연구팀은 반도체 박막 및 그래핀 전이 공법을 통해 최초로 쇼트키 접합을 이미터 접합으로 하는 수직구조 규소-그래핀-게르마늄 트랜지스터를 제조했다. 기존의 터널 이미터 접합에 비하여 규소-그래핀 쇼트키 접합은 현재까지 최대의 온 상태(On state) 전류 및 최소의 이미터 접합 전기용량을 보유함으로써 가장 짧은 이미터 접합 충전시간을 획득할 수 있기에 소자의 총 시간지연을 1,000배 이상 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라 소자의 차단주파수를 약 1.0MHz에서 약 1.2GHz로 향상시킬 수 있다. 연구팀은 해당 수직구조 트랜지스터의 다양한 물리적 현상에 대하여 분석함과 아울러 실험 데이터 모델링을 기반으로 해당 소자는 THz 영역에서 작동할 수 있는 잠재력을 보유하고 있음을 발견했다. 이는 그래핀 베이스 영역 트랜지스터의 성능을 대폭 향상시킴으로써 향후 초고속 트랜지스터 개발에 기반을 마련했다.

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중국의 그래핀 연구개발 동향과 시사점

중국은 전 세계의 그래핀기술 및 산업을 선도하는 국가로 급부상 중에 있다. 중국의 그래핀 관련 학술논문 발표량과 발명특허 출원량은 각각 세계 1위이다. 2017년 기준, 그래핀 학술논문은 1만5,803편으로 전 세계 3만1,901편의 51% 이상 비중을, 특허출원량은 전 세계의 54.14% 비중을 차지하는 3만4,450건을 보유한다. 정부차원에서 다양한 R&D 프로그램을 통해 그래핀연구에 대한 지원도 강화 중이다. 신흥산업 지원의 일환으로, 국가자연과학기금을 통해 3억 위안이 넘는 연구개발비용을 그래핀 기초연구사업에 투입하고 있다. 2013년에는 그래핀산업기술혁신전략연맹을 결성하여 그래핀 응용연구개발 및 산업화발전에 전폭적인 지원을 아끼지 않고 있다. 2020년에 중국의 그래핀산업규모가 1,000억 위안에 달할 것으로 예측되고 있어 그래핀 동향파악에 대한 주시가 필요하다.

본문은 중국정부의 그래핀 육성정책과 학술논문, 발명특허 및 최신성과를 집중적으로 분석하였고 양국간 협력 시사점 도출을 시도하였다.

목차

Ⅰ. 배경

Ⅱ. 육성정책 현황

Ⅲ. 과학기술산출 : 논문, 특허, 성과

Ⅳ. 시사점

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중국과학원, 그래핀 나노구조의 원자급 정밀 제어 가능 접힘 구현

중국과학원 물리연구소 가오훙쥔(高鴻鈞) 연구팀은 최초로 그래핀 나노구조의 원자급 정밀 제어가 가능한 접힘을 구현함과 아울러 신형 준3차원 그래핀 나노구조를 구축했다. 해당 구조는 2차원 회전 적층 이중층 그래핀 나노구조와 1차원 유사탄소나보튜브 구조로 구성되었다. 연구팀은 주사탐침(Scanning Probe) 조종기술을 통해 1) 그래핀 나노구조의 원자급 정밀 접힘 및 풀림, 2) 동일한 그래핀 구조에서의 임의 방향 반복 접힘, 3) 적층 각도를 정확하게 조절할 수 있는 회전 적층 이중층 그래핀 나노구조, 4) 준1차원 탄소나노튜브 나노구조 구축, 5) 쌍결정 그래핀 나노구조의 제어 가능한 접힘 및 헤테로접합 구축 등을 구현했다. 또한 주사터널링 분광법 및 제1원리 계산법을 응용하여 접힘 그래핀 나노구조의 정확한 원자구성 및 국소 전자상태 구조를 규명함과 아울러 그래핀 “나노 종이접기”를 통해 획득한 준1차원 나노튜브 헤테로접합이 서로 다른 에너지밴드 배열방식을 보유함을 발견했다.
해당 연구는 세계 최초로 원자급 정밀 제어, 수요에 따른 맞춤제작식 그래핀 접힘을 구현하였는데 이는 현재 세계 최소 사이즈의 그래핀 접힘이다. 상기 원자급 정밀 “종이접기”에 기반해 기타 신형 2차원 원자결정재료 및 복잡한 적층구조를 접을 수 있고 나아가 기능성 나노구조 및 양자디바이스(quantum device)를 제조해 그 신비한 물리현상을 밝힐 수 있다. 예를 들면 요술각 회전 적층 이중층 2차원 원자결정재료의 초전도성, 토폴로지 특성, 자성 등의 탐구 그리고 1차원 헤테로접합의 수송 성질 및 응용 등의 연구가 포함된다. 해당 연구는 양자재료 및 양자디바이스(기계) 구축에 중요한 과학·기술적 의미가 있다.

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고효율 정수 가능한 신형 그래핀 박막 개발

중국 우한대학 위안취안(袁荃) 연구팀과 미국 캘리포니아대학 로스앤젤레스캠퍼스 돤샹펑(段鑲鋒) 연구팀은 공동으로 물속의 염이온과 유기오염물을 고효율적으로 분리할 수 있는 초박형 고강도 박막을 개발했다. 그래핀 등 재료로 제조한 해당 박막은 물의 정화, 화학공업원료 분리정제 등 분야에 응용될 전망이다.
그래핀과 같은 원자 한층 두께의 2차원 재료는 초박 나노여과막 제조의 이상적인 재료이다. 하지만 단일 그래핀 박막은 파열 등 영향을 받는다. 따라서 우수한 기계적 강도와 대면적 무균열 성능을 보유한 그래핀 박막의 제조가 어려움으로 되고 있다.
연구팀은 기계적 성능이 우수한 다공성 구조 탄소나노튜브 박막을 그래핀 박막의 기계적 지지층으로 하여 그래핀 박막을 여러 개 미세영역으로 분할했다. 이로써 “워터큐브” 건축물 표면, 나무잎 또는 곤충 날개와 유사한 구조를 형성했다.
그래핀 박막 내부에 결함 및 균열이 존재하거나 또는 그래핀 박막이 외부 파괴를 입을 경우 탄소나노튜브 격자구조는 결함 확장을 저지해 결함을 국소 범위에 제한시킬 수 있다.
“그래핀 나노체(nanosieve)/탄소나노튜브 복합 박막”이라 불리는 해당 재료의 구멍 지름(약 0.6nm)은 물분자(약 0.3nm)보다 크고 일부 금속염 이온(수화나트륨 이온≈0.7nm) 보다 작기에 물분자와 염이온을 효과적으로 분리할 수 있다. 동 박막의 나트륨/칼륨/마그네슘 등 금속염 이온 분리율은 85% 이상이고 수용액속 유기오염물 분자 분리율은 99%에 달한다.
동 박막은 매우 높은 투수율을 보유하고 있다. 일정한 압력조건에서 1cm² 박막으로 매분 1ml 정제수를 획득할 수 있는데 이는 재래식 유사박막의 10~100배이다. 기계적 성능 면에서 동 박막은 휨 변형 상황에서도 구조 완전성, 투수율 등 특성을 유지할 수 있다.
해당 연구는 분리 분야에서 2차원 재료의 실제 응용의 한계성을 극복함으로써 고효율 선택적 분리의 서막을 열었다.

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베이징대, 그래핀 단결정 웨이퍼 규모화 제조 및 장비 개발 관련 성과

최근 베이징대학/베이징그래핀연구원 펑하이린(彭海琳) 연구팀과 베이징그래핀연구원 류중판(劉忠範) 연구팀은 공동으로 “에피택셜 기판 제조-그래핀 에피택셜 성장” 아이디어에 기반해 4인치 CuNi(111) 구리니켈합금 단결정 박막을 제조한 후 해당 박막을 성장 기판으로 4인치 그래핀 단결정 웨이퍼 초고속 제조를 달성했다. 또한 파트너와 협력해 그래핀 단결정 웨이퍼 대량 제조장비를 자체적으로 개발함과 아울러 1회 25장의 4인치 그래핀 단결정 웨이퍼 생산량을 달성했다. 해당 설비의 연간 생산능력은 10,000장에 달해 세계 최초로 그래핀 단결정 웨이퍼 규모화 제조를 달성했다. 해당 논문은 “Science Bulletin”에 온라인으로 게재되었다.
미래 첨단과학기술산업 경쟁을 주도할 전략적 신소재로 자리매김하는 그래핀은 응용범위가 광범위하다. 그래핀의 독특한 성능을 보유할 수 있는 까닭은 단일층 탄소원자 평면구조 때문이다. 그래핀은 지금까지 발견된 두께가 가장 얇고 강도가 가장 높으며 구조가 가장 치밀한 재료로 전기학, 광학, 열학, 화학 등 성능이 뛰어나다. 퍼펙트한 구조를 보유한 그래핀 박막은 미래 고성능 전자장치 및 광전자장치 제조에 있어 혁신적 재료가 될 전망이다.
화학기상증착법은 반도체산업에서 다양한 박막재료 증착에 가장 광범위하게 사용되는 기술로 대면적 고퀄리티 그래핀 박막재료 대량 제조에 있어 최선의 방법이다. 하지만 화학기상증착법으로 제조한 그래핀 박막에 흔히 결정립계, 주름, 점결함(point defect), 오염 등이 존재하는데 이는 그래핀 성능을 심각하게 저하시킨다. 따라서 쾌속 대량 생산이 가능하며 웨이퍼 제조 프로세스와 호환이 가능한 방식으로 고퀄리티 그래핀 단결정 웨이퍼를 제조하는 것은 전자급 그래핀 재료 규모화 응용의 핵심이다.
연구팀은 전단계 연구에서 구리(111)/사파이어 웨이퍼에서 그래핀 단결정을 에피택셜 성장시키는 방법을 제안했고 또한 세계 최초로 4인치 무주름 그래핀 단결정 웨이퍼 화학기상증착 제조를 구현했다(ACS Nano 2017 11,12337)
특히 이번 성과를 아래 세 가지로 귀납한다.
1) 그래핀 단결정 성장 기판 설계 및 선택 면에서 4인치 사파이어 웨이퍼를 기판으로 채택하고 마크네트론 스퍼터링 및 고체상태 에피택셜 재결정 방법을 사용해 500nm 두께의 CuNi(111) 단결정 박막을 제조했다. 동 방법은 계면 응력공학을 통해 사파이어에서 에피택셜의 면심입방결정구조 금속 단결정에 흔히 존재하는 쌍정(twin crystal) 문제를 양호하게 회피한다. 뿐만 아니라 니켈을 도입해 구리박막의 고온성 휘발로 발생하는 단차를 효과적으로 줄임으로써 4인치 범위에서 구리니켈 단결정 박막의 양호한 편평도를 확보했다. 동 방법은 다양한 성분비 CuNi 합금 단결정 기판의 효과적 획득이 가능해 응용공간을 확대시켰다.
2) 그래핀 단결정 웨이퍼 쾌속 에피택셜 성장 면에서 연구팀은 상압 화학기상증착 방법을 사용해 CuNi(111) 합금 단결정에서 그래핀 단결정 도메인의 에피택셜 성장, 방향성이 일치한 그래핀 단결정 도메인의 심리스 스플라이싱(seamless splicing)을 구현함으로써 4인치 그래핀 단결정 웨이퍼를 획득했다. 뿐만 아니라 동일한 성장조건에서 4인치 그래핀 단결정 웨이퍼의 성장시간을 10분으로 단축시켰는데 이는 Cu(111) 위에서의 그래핀 성장속도보다 50배 빠르다. 따라서 생산에너지소비는 대폭 줄이고 생산능력은 크게 향상시켰다. 심층적 메커니즘 연구 결과, 적은 함량의 Ni 성분(10%)은 탄소원의 분해 속도를 효과적으로 향상시켜 그래핀의 쾌속 성장을 도왔다. 뿐만 아니라 그래핀 성장은 여전히 표면반응 주도를 유지했고, 제조된 그래핀은 단일층이었으며, 주름 문제를 극복해 매우 편평했다.
3) 그래핀 단결정 웨이퍼 대량 제조장비 개발 면에서 연구팀은 파트너와 협력해 파일럿규모의 그래핀 단결정 웨이퍼 성장 장비를 자체적으로 설계·개발했다. 연구팀은 상압 화학기상증착의 기본원리에 기반하고 설비 온도범위, 기류강약, 급기방식, 챔버압력, 거치대 등에 대한 최적화를 통해 성장챔버 내부 온도장 및 흐름장을 균일적으로 조절했다. 성장 조건 최적화 후 1회 25장의 4인치 그래핀 단결정 웨이퍼 쾌속 성장을 달성했다. 연구팀이 제조한 그래핀 단결정 웨이퍼는 시트 간 및 시트 내 균일성이 양호했고 그 품질은 소형 성장시스템과 비슷했다. 해당 설비의 연간 최대생산능력은 10,000장에 달하며 6~8인치 그래핀 단결정 웨이퍼도 제조할 수 있다.
한마디로 동 방법은 전자급 그래핀 단결정 웨이퍼 대규모 생산에 실행 가능한 기술경로 및 장비기반을 마련했다.

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그래핀 에피택셜 심자외선 LED 관련 일련 성과

최근 중국과학원 반도체연구소 조명연구개발센터, 베이징대학 나노화학연구센터, 베이징그래핀연구원 등은 공동으로 그래핀/사파이어 신형 에피택셜 기판을 개발했다. 또한 플라스마 전처리로 그래핀을 개질해 AlN 박막 성장을 촉진시킴으로써 심자외선 LED를 구현하는 새 전략을 제안했다. DFT 계산 결과, 플라스마 전처리를 통해 그래핀에 도입된 피롤질소(Pyrrole nitrogen)는 AlN 박막의 핵생성 성장을 효과적으로 촉진할 수 있고 짧은 시간에 저응력 저전위밀도를 보유한 고품질 AlN 박막을 획득할 수 있다. 해당 심자외선 LED 소자는 양호한 장치성능을 나타냈다. 해당 성과는 “Improved Epitaxy of AlN Film for Deep-Ultraviolet Light-Emitting Diodes Enabled by Graphene”란 제목으로 “Advanced Materials”에 게재되었다.
뿐만 아니라 연구팀은 그래핀/NPSS 나노그래픽기판 에피택셜 AlN 성장모델을 제안했다. 연구팀은 그래핀 표면 금속원자 이동 증강 법칙을 이론적으로 계산함과 아울러 실험적으로 검증했다. 그래핀은 NPSS에서 AlN 합병시간을 3분의 2 단축시켰고 심자외선 LED 출력을 뚜렷하게 향상시켰는바 심자외선 광원이 그래핀 산업화의 돌파구가 될 전망이다. 해당 성과는 “Appl. Phys. Lett.”에 게재된 후 Featured article로 선정되었다. 또한 “New AlN film growth conditions enhance emission of deep ultraviolet LEDs”란 제목으로 “AIP Scilight”에 소개되었을 뿐만 아니라 “Compound Semiconductor” 저널 및 “Semiconductor Today”에 장편으로 게재되었다.
이외, 연구팀은 심자외선 발광장치에 존재하는 p형 도핑의 세계적 기술 난제를 해결하기 위해 결함 공진모드 p형 도핑이란 새 메커니즘을 제안했다. 동 방법은 에너지갭 조절에 기반해 고효율 억셉터 이온화율을 획득하는 동시에 높은 홀 이동도(hole mobility)를 유지하면서 0.16 Ω.cm의 p형 질화갈륨 전도율을 달성했다. 이로써 후속 심자외선 장치 투명전극의 그래핀 응용에 기반을 마련했다. 해당 성과는 “Semicond. Sci. Technol.”에 게재되었고 또한 동 학술지가 선정한 2018년도 청년과학자 최고 논문상을 수상했다.
심자외선 LED는 소독, 멸균, 인쇄, 통신 등 분야에 광범위하게 응용된다. 국제 “미나마타협약(Minamata convention on Mercury)”이 체결됨에 따라 심자외선 LED의 전면적 응용은 더 시급해졌다. 하지만 상업화 심자외선 LED의 10%도 안 되는 외부 양자 효율은 심자외선 LED의 응용을 크게 제한하고 있다. AlN 재료품질은 심자외선 LED의 핵심적 요소 중 하나이다. AlN 박막은 주로 금속유기화학기상증착(MOCVD) 방법을 통해 헤테로에피택셜을 c-사파이어, 6H-SiC 및 Si(111) 기판위에 성장시킨다. AlN과 기판 사이에 존재하는 큰 격자 불일치 및 열적 불일치로 인해 에피택셜층에는 큰 응력, 높은 전위밀도(Dislocation Density)가 존재하는데 이는 장치성능을 심각하게 떨어뜨린다. 뿐만 아니라 상기 기판의 AlN 전구체는 이동 퍼텐셜 장벽이 높고 침윤성이 좋지 않아 3차원 섬모양 성장 경향을 나타내는데 일정 두께에 도달해야만 융합되므로 시간비용을 증가시킨다.