전자 소자의 새로운 패러다임을 제시하다
반도체/그래핀 다중이종구조 제조기술 개발
세종대학교 나노신소재공학과 홍영준 교수
세상에 존재하는 가장 얇은 물질인 그래핀(Graphene)은 최고의 열전도체로 가장 빠른 상온 전자이동도를 보이는 물질이다. 이러한 전기적·물리적 특성 덕분에 그래핀은 실리콘 반도체를 대체할 가장 강력한 소재로서 휘는 디스플레이, 전자종이, 입는 컴퓨터 등에 활용될 것으로 기대를 모으고 있다. 이 ‘꿈의 신소재’를 현실 세계에 진입시키기 위해 다양한 연구가 진행되고 있는 가운데 최근 발표된 세종대학교 홍영준 교수 연구팀의 연구성과가 이목을 끌고 있다.
홍영준 교수 연구팀은 샌드위치처럼 그래핀의 상하부 표면에 반도체를 증착시키는 기술을 개발, 새로운 기능의 전자 소자 개발 가능성을 활짝 꽃피웠다.
그래핀 상하부 표면에 반도체를 샌드위치 구조로 증착
얇고 전기전도도가 우수한 그래핀은 양쪽성으로 도핑할 수 있어 투명하고 유연한 전자 소자 구현을 위한 차세대 기판으로 주목받고 있다. 그러나 그래핀은 다른 물질과 결합할 수 있는 표면전자가 거의 없어 표면에 반도체를 집적하는 기술을 개발하는 것이 관건이었다.
“극성이 없고 표면 불포화 결합이 없는 그래핀은 화학적으로 매우 안정하기 때문에 반도체/그래핀 이종구조를 형성하기 어렵습니다. 때문에 반도체 증착물의 선택에 많은 제약이 있었고, 산화물 반도체 같은 물질에 한해서만 반도체/그래핀 이종구조를 제조할 수 있었죠. 터널 다이오드나 배리스터와 같은 반도체/그래핀 수직 이종구조 소자를 제조할 때 대부분 현미경을 통한 연구자의 수작업에 의해서 레이어-레이어 적층 방식이 이용된 것도 이 때문입니다.”
현미경으로 관찰하면서 그래핀 위에 반도체를 증착시키는 기존의 수작업 방법은 대면적 공정을 필요로 하는 반도체 프로세스에는 적합하지 않았다. 이러한 한계를 극복하기 위해 홍영준 교수는 어떻게 하면 탄소 단일층으로 된 그래핀을 반도체 기판으로 사용할 수 있을 것인지, 보다 효과적으로 반도체를 증착시킬 수 있을 것인지 고민을 거듭했다. 그러던 중 홍영준 교수의 머릿속에 불현듯 ‘반데르발스 인력’이 스쳐지나갔다. 반데르발스 인력은 전기적으로 중성(또는 무극성)인 분자들이 서로 당기는 약한 정전기력으로 기체, 액체, 고체에 존재하는 인력의 본질이다.
“표면 비결합 전자쌍을 필요로 하지 않는 반데르발스 에피텍시 방법을 사용하면 고품위의 반도체/그래핀 수직 다중이종구조를 모노리식으로 집적할 수 있지 않을까 생각했습니다. 당시까지 반데르발스 에피텍시 방법으로 반도체/그래핀 다중이종구조를 구현한 연구는 전무했죠. 저희는 새로운 가설을 바탕으로 연구에 착수했고, 그 결과 반데르발스 인력을 이용해 그래핀 상하부 표면에 인듐비소 반도체를 증착시키는 데 성공할 수 있었습니다.”
새로운 기능의 전자 소자 개발 가능성을 열다
연구팀은 유기-금속 화학기상증착법을 사용해 인듐비소 나노구조체를 단층 그래핀에 반데르발스 에피텍시로 증착했다. 특히 단층 그래핀의 상하 양면에 인듐비소를 증착하기 위해 천공이 배열되어 있는 질화실리콘 멤브레인에 그래핀을 전사한 기판을 사용했다.
저압의 층류 기상이송을 통한 유기-금속 화학기상증착법으로 단층 그래핀의 윗면과 아랫면에 동시에 인듐비소 나노구조체가 형성되었고, 이 같은 공정을 통해 인듐비소 나노구조체가 약 50~60%의 수율로 ‘인듐비소/그래핀/인듐비소’의 이중이종접합 구조를 얻어낼 수 있었다는 설명이다.
연구팀은 투과전자현미경의 전자빔 회절분석을 통해 인듐비소/그래핀 이종구조가 에피텍시 관계를 가지고 성장되었음을 관찰했다. 이로써 인듐비소와 그래핀 사이에 화학결합 없이도 반데르발스 인력을 가지고 그래핀의 특정한 원자배열을 따라 인듐비소가 단결정으로 형성될 수 있음을 입증한 것이다.
이처럼 이종에피텍시가 가능한 것은 인듐비소의 [111]면이 육각 배열의 격자구조를 가지고 있기 때문에 벌집형태의 격자구조를 가지는 그래핀의 표면에 규칙적으로 원자배열을 하기가 매우 쉽기 때문이다.
이 두 이종계면의 결합에너지는 약 64meV로 계산되었고, 이 수치는 이온결합이나 공유결합보다 수십 배 작은 수치로서 반데르발스 인력에 의한 것임을 입증한다.
특히 초고분해능 주사투과전자현미경 관찰을 통해 인듐비소 나노구조체가 그래핀 표면에서 [111]B 방향으로만 배타적으로 형성되고, 인듐비소/그래핀/인듐비소 이종이중구조에서 그래핀의 윗면과 아랫면에 형성된 인듐비소는 대칭적으로 서로 다른 극성방향을 가짐을 관찰했다는 사실 또한 주목할 부분이다.
“서로 다른 극성을 맞대고 이종구조가 형성되는 것은 매우 이례적인 현상입니다. 이에 따라 밀도범함수이론에 기반한 제일원리계산을 수행했는데, 그 결과 매우 얇지만 전도성이 높은 그래핀이 상부와 하부의 인듐비소와 반데르발스 결합을 이룸에 따라 극성에 의한 전기장을 충분히 차폐했기 때문이라는 새로운 과학적 사실을 발견할 수 있었습니다. 그래핀의 우수한 전기장 차폐성 때문에 그래핀 상부와 하부에 극성이 서로 다른 인듐비소가 고밀도의 이중이종구조로 형성될 수 있음을 시사하는 것이죠.”
이 때 형성되는 이중이종구조의 결합에너지는 66meV로 단일이종구조와 매우 비슷한 결합에너지 수치를 나타냈다. 윗면과 아랫면에 형성되는 인듐비소는 서로에게 영향을 주지 않음을 입증한 것이다. 그래핀은 sp2 혼성 오비탈로 구성되어 있으며 인듐비소는 sp3 결합을 가진다.
따라서 연구팀의 반데르발스 에피텍시 이종구조는 화학결합을 필요로 하지 않는 sp3/sp2/sp3 타입의 새로운 구조의 이중이종구조이고, 계면에서 분극반전을 항상 가지는 구조라는 점에서 괄목할 만하다.
“우리 연구팀은 화학결합을 필요로 하지 않는 반데르발스 에피텍시로 반도체를 그래핀에 집적하는 방법을 보여주었고, 이 방법을 사용하면 다양한 나노소재에 반도체를 집적할 수 있을 것으로 예상됩니다. 또한 이렇게 제조된 반전분극을 가지는 sp3/sp2/sp3 타입의 이중이종구조로 새로운 중시계적 현상을 관찰할 수 있을 것입니다. 이 뿐 아니라 반도체/그래핀 반데르발스 에피텍시를 이용하면 그래핀 기반의 고밀도 모노리식 반도체 집적소자를 개발할 수 있을 것으로 기대하고 있습 니다.”
이렇듯 새로운 형태와 구조의 반도체 소자를 제조하는데 중요한 물질인 그래핀에 반도체 나노소재를 집적하게 되면 새로운 기능을 가지는 소자들을 제조할 수 있다는 점에서 이번 연구성과가 가지는 의미는 크다. 무엇보다 대면적의 그래핀 기반을 이용한 고밀도 소자 제작에 활기를 불어넣을 것으로 기대를 모으고 있다. 홍영준 교수가 포스텍 화학과 김광수 교수 연구팀과 함께 주도한 이번 연구결과는 신소재 분야 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’지 2013년 12월 17일자 뒷표지 논문으로 게재되었다.
그래핀 상용화의 꽃을 피우다 ‘그래핀연구소’
현재 홍영준 교수는 그래핀 성장, 소재 및 소자 분야 연구에 특화된 연구소인 세종대학교 그래핀연구소에 몸담고 있다.
그래핀은 2005년 이후 나노소자·재료 분야 연구에 있어 가장 주목받는 연구 주제로서 KISTEP 선정 10대 미래유망기술에 포함되었고, 미국물리학회 선정 ‘미래 정보기술을 바꿀 가장 주목할 만한 신소재’로도 소개되었다. 더불어 그래핀 트랜지스터는 MIT 선정 10대 유망기술에 포함되면서 관련 연구 및 연구인력 양성이 국가의 경쟁력에 이바지하는 핵심요소로 각광받고 있다.
이에 따라 해외 주요국에서는 거대시장으로 성장할 그래핀 분야 시장을 선점하기 위해 기술개발에 많은 인력과 예산을 집중하고 있다. 우리나라 또한 그래핀이 탄소나노튜브와 함께 탄소기반 전자학의 주축이 되어 미래형 신기능 전자 소재로서 응용될 신성장동력 기술임을 인지하고 2009년부터 신기술융합형성장동력사업, 나노원천기술개발사업, 산업기술기반구축사업 등 교과부·지경부 과제를 시행하고 있다.
이러한 추세에 발맞춰 나노 분야의 특화를 위해 기초물리학연구소로부터 독립한 그래핀연구소(소장:홍석륜 물리학과 교수)는 2010년에는 한국연구재단으로부터 이공분야 대학중점연구소로 선정, 연구에 박차를 가하며 국내 그래핀 연구의 구심점 역할을 해왔다.
세종대학교 그래핀연구소의 가장 큰 경쟁력은 그래핀 연구라는 하나의 목표를 향해 그래핀 관련 분야의 개인연구 과제를 수행하고 있는 교수들이 참여해 이룬 탄탄한 조직구성이다. 물리학, 화학, 나노신소재 분야 전임교수 11인으로 구성된 우수한 교수진이 효과적인 연구를 위해 집단연구를 수행하고 있다. 집단연구는 미국, 유럽연합 등에서 활발하게 가동되며 초고속 소자에 대한 성과가 나타나고 있는 연구방식이다. 그래핀연구소의 집단연구방식이 국내 연구방식의 판도를 바꾸는 전환점이 될 수 있을 것으로 전망됨에 따라 연구소를 향한 기대 또한 커지고 있는 상황이다.
이처럼 그래핀연구소는 물리, 화학, 나노공학 분야 교수를 주축으로 학제 간 융합과 그래핀 소재개발 및 응용소자 연구에 특화된 특성화사업을 수행해왔으며, 그래핀의 물리적·화학적 특성을 분석해 ‘저전력 초고속 소자’ 응용을 위한 연구 및 제작에 총력을 기울이고 있다. 그래핀 분야의 신진연구자인 홍영준 교수 역시 이 그래핀연구소에서 연구를 수행 중이다. 홍영준 교수는 그래핀을 반도체 기판으로 이용하는 연구에 초점을 맞춰 왔고, 그 결과 반도체/그래핀 다중이종구조 제조기술 개발에 성공하는 괄목할 만한 성과를 거뒀다. 현재 그는 나노신소재공학과에서 ‘반도체 나노아키텍쳐 소자 랩’을 이끌며 화학, 물리학, 나노신소재공학의 융합 연구를 기반으로 새로운 도전을 이어가고 있다.
과학계의 신성(新星), 더 나은 세상을 꿈꾸다
홍영준 교수의 이름이 세계 과학계에 알려진 것은 비단 이번 연구성과가 발표되었을 때만이 아니다.
이미 2007년과 2008년 세계 저명한 학회와 대회에서 수상을 하며 ‘될 성 부른 나무’로서의 면모를 보여 왔다. 2007년 포스텍 신소재공학과 박사과정 당시 3차원 나노집적소자에 응용가능할 것으로 기대되는 반도체 나노막대를 실리콘 기판의 원하는 위치에 수직으로 선택성장할 수 있는 기술과 원리를 개발, ‘2007 유럽 재료공학연구학회(2007 E-MRSㆍEuropean Materials Science Research Society)’ 춘계 세미나에서 ‘젊은 과학자상(Young Scientist Award)’을 수상했다. 유럽 재료공학연구학회 세미나는 2,000여 명의 관련 학자들이 참석해 700명 이상이 논문을 발표하는 권위 있는 행사로 ‘젊은 과학자상’은 18개 분과에서 발표된 논문 중 가장 우수한 논문을 발표한 18명에게만 수여되었다.
이듬해인 2008년에는 스위스 제네바에서 열린 ‘2008 국제 발명대회’에서 모스크바 국립공대로부터 개인특별상을 수상하며 뛰어난 연구성과를 다시 한 번 인정받았다. 더불어 당시 박사과정이었던 홍영준 교수가 속해 있던 포스텍 신소재공학과 이규철 교수 연구팀은 ‘나노 디바이스 및 이를 포함하는 트랜지스터의 제조 방법’ 특허를 출품해 금상을 받기도 했다. 출품했던 특허는 실리콘 기판에 나노벽, 나노튜브의 형상과 크기를 자유자재로 조절해 원하는 위치에 제조하는 기술과 이를 이용한 다양한 나노 소자의 제조방법에 관한 것으로 촉매나 광식각 공정을 사용하지 않아 나노 구조물의 오염이나 표면 손상이 전혀 없이 반도체 나노소재 및 소자를 대량으로 생산하는 기술이다.
이처럼 우수한 연구진들과 함께 박사과정부터 탄탄히 다져온 실력, 세계 무대에서 인정받을 정도의 창조적인 역량이 기반이 되면서 홍영준 교수의 연구는 하루가 다르게 빛을 발하고 있다. 그리고 그 저변에는 연구를 향한 올곧은 고집과 노력은 배신하지 않는다는 확고한 믿음이 자리하고 있었다.
“어떤 일이든 한 번 시작을 하면 끝까지 해보자는 욕심이 강한 편이에요. 일단 아이디어가 생각나면 현실에서 어떻게 잘 표현할 것인지 노력하고, 결과가 나올 때까지 파고들죠. 이런 고집이 장점일 수도, 단점일 수도 있지만 연구에서 만큼은 일관되고 고집 있게, 열심히 하는 것처럼 강한 무기는 없다고 생각합니다.”
아무리 어려운 일을 극복해도 겨울에 꽃이 필 수는 없는 법이다. 봄이 오면 꽃이 피고 열매를 맺듯 홍영준 교수는 노력하면 언젠가 의미 있는 성과를 거둘 것이라는 세상의 이치를 깨닫고 있다. 그래서 수많은 난관에 부딪쳐도 결코 조급해 하지도, 그렇다고 노력을 게을리 하지도 않는다. 다만 끈기 있게 한 방향만을 향해 달리며 기다릴 뿐이다. 이 같은 홍영준 교수의 ‘기다릴 줄 아는 지혜’와 ‘인내가 동반된 고집’은 앞으로도 계속될 전망이다.
“앞으로도 지금 하고 있는 분야를 꾸준히 연구해 보고 싶어요. 우선은 현재의 결과를 바탕으로 새로운 기능의 반도체 소자를 연구할 생각입니다. 이 분야에서 중요한 기술 지식을 개발해 과학계의 재산으로 남기는 것이 꿈이죠. 제가 남긴 지식재산을 기반으로 다른 연구자 분들이 더 좋은 기술을 만들고, 그 기술들이 더 좋은 세상을 만드는 데 이바지 한다면 과학자로서 가장 행복한 일 아닐까요”
랠프 왈도 에머슨의 시 ‘성공이란 무엇인가’를 보면 ‘성공은 내가 태어나기 전보다 이 세상을 조금이라도 살기 좋은 곳으로 만드는 것’이라는 구절이 나온다. 홍영준 교수의 성공을 향한 열정과 꿈은 이 구절과 맞닿아 있는 듯하다. 과학 기술을 통해 더 나은 세상을 만들기 위해, 나아가 사람들이 행복한 세상을 만들기 위해 오늘도 그의 연구실은 환히 불을 밝히고 있다.
<이 기사는 사이언스21 매거진 2014년 3월호에 게재 되었습니다.>
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