삼성-成大, 입는 컴퓨터 '꿈의 신소재' 합성기술 최초개발

단결정 그래핀 대면적 합성 기술의 세계최초로 개발하는 데 협력한 황성우 삼성전자 종합기술원 박사(교신저자·왼쪽)와 연구팀을 이끈 황동목 성균관대 신소재공학부 교수 /사진 제공=삼성전자

삼성전자 종합기술원이 성균관대와 공동으로 '입는 컴퓨터(웨어러블 컴퓨터)' 시대를 앞당길 '꿈의 신소재 그래핀'의 대면적 합성기술을 세계 최초로 개발했다.

그래핀은 탄소로 이뤄진 단일 원자층 물질로 현재 가장 많이 사용되는 반도체 소재인 실리콘에 비해 100배 이상의 전자 이동도를 갖고 있다. 강철보다 강한 강도와 열전도성, 신축성도 있어 차세대 전자소자인 플렉시블 디스플레이, 웨어러블 전자 소자 등에 활용할 수 있는 '꿈의 신소재'로 불린다.


삼성전자 종합기술원은 성균관대 신소재공학부 황동목 교수 연구팀과 함께 웨이퍼크기(현재의 300mm 웨이퍼도 가능)의 대면적 단결정 그래핀을 성장시킬 수 있는 방법을 세계 최초로 개발했다고 4일 밝혔다.

이같은 내용은 세계적 학술지인 미국 '사이언스지'에 게재될 예정이며, 연구결과의 중요성을 인정받아 이에 앞서 이날 '사이언스 온라인속보'에 소개됐다.

그 동안 세계 각국에서는 그래핀의 실용화 연구를 위해 대규모 투자를 진행해 왔지만 한계가 있었다. 기존의 작은 그래핀을 합성해 큰 면적으로 키우는 다결정 합성법은 그래핀의 전기적 기계적 성질이 저하되는 문제로 응용범위가 제한돼 실용화가 어려웠다.

그래핀 다결정들간의 결합력이 떨어져 전기적 특성이 약화되는 것을 해소하기 위해 연구팀은 기존 단결정의 크기를 키우는 방식으로 대면적화에 성공했다.

그래핀 웨이퍼. 게르마늄이 입혀진 실리콘 웨이퍼표면에서 성장한 단결정 그래핀(왼쪽)과 그래핀 웨이퍼의 실제사진(오른쪽) 그래핀 웨이퍼 표면의 가상이미지 /사진 제공=성균관대

이 방법은 대면적의 그래핀을 실리콘 웨이퍼 위에 게르마늄을 입혀 단결정으로 합성하는 방식이다. 그래핀 연구 및 응용범위 확산 등 실용화를 앞당길 수 있는 새 전기를 마련한 셈이라고 삼성전자 측은 설명했다.

지난 수십 년간 단결정 반도체 물질인 실리콘 웨이퍼가 점차 그 면적을 키우며 반도체산업을 성장시킨 것처럼 그래핀의 응용과 실용화를 위해선 단결정 그래핀을 대면적으로 만들 수 있는 방법을 개발하는 것이 필수적이었다.

또 실리콘 웨이퍼의 특성상 미세회로 공정이 10나노대로 접어들면서 한계에 부딪힌 상황에서 그래핀의 대면적화는 반도체 산업에 새로운 길을 열어주는 이정표로 인식돼 왔다.

그만큼 삼성전자와 성균관대의 이번 공동개발은 세계 최초로 기존의 반도체웨이퍼 크기의 전체 면적에서 단결정 그래핀을 반복 합성할 수 있는 획기적인 방법으로써 의미가 크다는 평가다.

삼성전자 관계자는 "이번 연구결과가 그래핀 연구를 가속화해서 나노소자 기술의 실용화를 앞당길 수 있을 것으로 전망한다"며 "우리나라의 강점인 디스플레이 및 반도체 분야에서 지속적으로 기술 리더십을 강화할 수 있는 계기를 만들었다는 점에서도 의미가 있다"고 말했다.

이 연구결과는 2006년부터 나노분야 중심으로 시작된 삼성전자와 성균관대간 공동협력 프로그램 중 하나다. 미래창조과학부의 리더연구자지원사업(창의적연구진흥사업)으로 수행됐다.

삼성전자 관계자는 또 "기초와 응용 기술을 연계한 대학과 기업간 공동연구를 통해 차세대 성장 동력을 창출할 핵심기술을 확보했다는 점에서 산학협력의 성공 모델로도 볼 수 있다"고 강조했다.

게르마늄이 입혀진 실리콘 웨이퍼 표면에서의 단결정 그래핀 반복제조 방법 /사진 제공=성균관대