주름진 산화막을 이용한 그래핀-탄소나노튜브 소자 투명하고 늘어나는 전자소자 통해 응용개발 가능성 열어
주름진 산화막을 이용해 20%까지 늘어나는 투명한 그래핀-탄소나노튜브 전자 소자의 개발이 이뤄졌다. 기초과학연구원 나노구조물리연구단 이영희 단장 연구팀이 완성한 이 기술은 주름진 산화막을 늘어나는 절연막층으로 이용하는 방법을 통해 기존 절연막층의 깨지기 쉬운 특성을 극복 향후 미래 소자의 활용 가능성을 열었다는 평가를 받았다. 정리 김동기 기자
기초과학연구원 나노구조물리연구단 이영희 단장 연구팀이 전사 과정을 통해 만든 주름진 산화막을, 늘어나는 절연막층으로 이용할 수 있음을 밝혀내 투명하고 늘어나는 전자소자를 개발할 수 있는 가능성이 열렸다. 이번 연구는 이영희 단장 연구팀의 채상훈 박사 과정생이 제1저자로 수행했으며 미국 피츠버그대학교, 캘리포니아 대학교 연구자들이 참여해 협력연구를 통해 이뤄졌다. 또한, 이번 연구 결과는 영국에서 발간하는 세계적 권위 학술지인 ≪네이처 머터리얼즈Nature Materials≫ 게재됐다.
기존 절연막층의 한계점
탄소원자 단일층의 육각형 벌집구조로 이루어진 그래핀은 2004년 영국의 가임 교수와 노보셀로프 교수(2010년 노벨물리학상 수상)가 발견한 이래, 전도성과 전하이동도가 높고 향후 응용 가능성이 많아 꿈의 신소재로 불리며 전 세계적으로 활발히 연구되고 있다.
탄소나노튜브는 탄소로 이루어진 속이 빈 튜브 형태의 지름 2나노미터(1나노미터는 10억분의 1미터) 이하인 물질로, 기존 반도체 재료인 실리콘을 대체할 전자 소자 재료로 꼽힌다. 특히, 전도성 물질인 그래핀을 전극으로 이용하고 반도체인 탄소나노튜브를 전자 통로로 이용하면 전기적, 기계적 특성이 우수한 소자의 개발이 가능해 그동안 그래핀과 탄소나노튜브의 독특한 특성을 이용한 휘어지는 전자소자에 대한 응용연구가 활발히 진행돼 왔다.
그러나 늘어나는 전자소재의 개발을 위해서는 전극과 전자통로 이외에도 전자의 이동을 제어하는 절연막도 함께 늘어나는 특성을 가져야 하지만 기존 산화막으로 이루어진 절연막층의 깨지기 쉬운 특성으로 늘어나는 소자의 개발에는 한계점을 가져왔다.
나노 두께의 평평한 산화막층은 휘어짐에는 견딜 수 있지만 늘리면 쉽게 부서지고, 고분자를 이용한 절연막은 늘렀을때 견딜 수 있지만 누설전류가 심하다는 문제점을 가지고 있다.
주름진 산화막 통해 변형 가능
이 교수팀은 고유전율 산화막 물질인 알루미나를 구리기판 위에 증착시키고 메타크릴 수지 고분자를 코팅한 후, 구리를 녹이는 용액을 이용해 구리기판 을 제거했다. 이 과정 중에 알루미나층은 변형력 이완으로 주름진 모양을 가지게 된 것이다.
이 주름진 산화막을 그래핀으로 이루어진 전극위에 전사해 절연막으로 사용하고 그 후 탄소나노튜브를 전사해 산화막이 깨지지 않고, 주름진 형상때문에 주름이 펴지면서 최대 20%까지 늘일 수 있는 전자소자를 완성시켰다.
연구팀은 또 산화물의 주름은 자연적으로 형성되었기 때문에 여러 방향으로 늘였을 때에도 잘 견딘다는 것을 증명했다. 기본 전자소자의 단위인 트랜지스터의 모든 부분(전극, 전자통로, 절연막)이 변형에 견디는 재료로만 이뤄졌다는 점에서 세계 최초로 진정한 의미의 늘어나는 소자가 개발된 것이라 평가할 수 있다. 또한 이 모든 재료가 투명하기 때문에 완성된 소자도 80%의 투과도를 가졌다.
이와 관련, 이영희 교수는“이 연구는 그래핀 및 탄소나노튜브와 같은 꿈의 신소재 전자소자로 응용폭이 대폭 확대됐다”며“휘어지는 것을 넘어 늘일 수도 있는 투명한 소자 및 디스플레이, 접이형 컴퓨터, 의복형 컴퓨터 등 미래 소자로써의 무한한 가능성을 열었다”고 연구의 의의를 밝혔다.
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