국내 연구진이 정렬 및 패터닝이 가능한 유기 나노선(Organic nano-wire)을 이용한 리소그라피 방법으로 저비용·단시간의 그래핀 나노리본 제작 기술을 개발했다. 이 기술은 메모리·디스플레이 등 고집적 전자회로에 활용될 수 있는 그래핀 나노리본을 원하는 모양으로 넓은 면적에 걸쳐 매우 쉽게 제작할 수 있기 때문에, 그래핀 나노리본의 우수한 전기적 특성과 그래핀 특유의 투명함과 유연함을 활용한 웨어러블(wearable) 전자소자나 접히는 디스플레이(Flexible Display) 분야의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프론티어사업의 일환으로 추진되는 “나노기반 소프트일렉트로닉스연구단(단장 조길원)”의 지원으로 포항공과대학교 신소재공학부 이태우 교수가 주도하고 Wentao 연구교수가 제1저자로 참여하여 수행되었으며 재료과학분야의 세계적 권위의 학술지인 ‘Advanced Materials’지에 4월 10일(목)에 온라인 게재되었다.
(논문명 : Rapid Fabrication of Designable Large-Scale Aligned Graphene Nanoribbons by Electro-hydrodynamic Nanowire Lithography

그래핀은 우수한 전기적, 물리적, 그리고 화학적 특성을 가지고 있어 차세대 고집적 유연 전자 소자의 핵심 물질로 주목받고 있지만, 밴드갭(band gap, 전자가 지닐 수 있는 에너지의 허용된 대역)이 없어서 밴드갭을 활용하는 반도체 특성의 전자장치에 사용하기 어려운 문제점이 있었다. 그러나 그래핀이 나노리본 형태가 되면 밴드갭을 가지게 되고 그 폭이 좁아 질수록 밴드갭이 커지게 되어, 좁은 폭의 그래핀 나노리본을 확보하여 그래핀의 반도체 특성을 활용할 수 있다.

기존의 다양한 그래핀 나노리본 제작 기술이 소개되어 왔지만, 공정단가 높고 제작시간이 길었으며, 트랜지스터나 메모리와 같은 전자소자에 적용하기 위해서는 대면적에서 개별적인 폭 조절과 위치 정렬을 필요하기 때문에 산업적인 측면에서 한계를 가지고 있었다.

연구팀은 화학기상증착법(Chemical vapor deposition)을 통해 실리콘 기판 위에 그래핀을 형성하고, 그 위에 유기 나노선을 원하는 위치에 정렬시킨 후 산소 플라즈마 식각(필요없는 부분 제거) 과정을 거쳐, 유기 나노선의 형태를 따라 그래핀 나노리본을 제작하였다. 기존에 시간이 많이 걸리고 높은 공정비용이 소요되며 대면적 패터닝이 어려웠던 그래핀 나노리본 제작 공정의 단점을 극복하였다.

연구팀은 이 기술을 이용하여 10nm(나노미터) 이하 범위의 폭을 가지고, 밴드갭을 가진 그래핀 나노리본을 제작하였으며, 더 나아가 이를 전계 효과 트렌지스터의 채널로 이용하여, 상온에서 약 70의 on/off 전류비(current ratio)와 약 300cm2V-1s-1의 정공 이동도 값을 가지는 소자를 제작하는데도 성공하여, 향후 전자 소자로의 활용 가능성도 입증했다.

연구팀은 “기존의 방식과는 달리 원하는 위치에 원하는 길이의 그래핀 나노리본을 대면적으로 제작할 수 있는 것은 물론, 저비용으로 간결한 공법이 가능하기 때문에 그래핀 나노리본을 이용한 전자소자의 연구를 더욱 가속화 시킬 것”이라는 데 기대가 크며, “이번 연구성과는 2020년 50조원 규모로 성장할 것으로 예측되는 입는(wearable) 컴퓨터 및 플렉시블(Flexible) 전자소자 등을 구현하기 위한 원천기술로 사용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.