[논문]그래핀 나노리본 형성과 응용

홍석원; 황완식

그래핀 나노리본 형성과 응용 원문보기

인포메이션 디스플레이 = Information display, v.17 no.3, 2016년, pp.32 - 43

홍석원 (광메카트로닉스공학과 부산대학교) , 황완식 (항공재료공학과 한국항공대학교)

초록이 없습니다.

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

즉, 2차원 그래핀은 에너지 밴드갭(Energy bandgap)이 없는 반면, 1차원 그래핀 나노리본은 양자점제어(Quantum confinement)로 인해서 에너지 밴드갭이 형성되고, 그 크기는 형성된 그래핀 나노리본 너비에 반비례 한다고 보고되었다.^[2] 본 글에서는 이러한 그래핀 나노리본의 형성과 그 응용에 관해 살펴보고자 한다.
마지막으로 고분자의 노즐분사 기술을 응용한 그래핀 나노리본 제조 기술을 소개하고자 한다. 포항공대 이태우 교수팀은 가느다란 금속노즐에 전압을 인가하여 일정하게 공급되는 고분자 용액을 지속적으로 분출시키는 기술을 응용, 그래핀 나노리본 제조를 위한 마스크제조에 성공하였다.
이에 따른 기술로, 흑연결정으로 부터 그래핀 한층을 분리해내기 위해 황산과 같은 강산에 산화시켜 수용액상에서 분리한 후, 다시 환원시키는 화학적 박리법을 소개하고자 한다. 흑연을 산화시킨 후 이온성 물질의 층간삽입을 유도, 층간거리를 넓혀 산화 흑연을 제조하는 기술은 1950-70년대부터 Hummers 방식으로 대표되는 많은 시도가 이루어졌다.

제안 방법

화학적 박리법을 대체하기 위해 제안된 최신의 그래핀 제조 방식으로 기계적 박리 방식이 있다. 노벨상 수상 시 화제가 되었던 기계적 박리 기술은 맨체스터 대학교의 가임 교수팀이 기발하고도 단순한 방식으로 스카치테이프의 접착력을 이용하여 흑연표면에서 단층 그래핀을 분리하는 방법을 제안하였다.^[1] 이 박리기술과 비슷한 개념으로, 울산과기원의 백종범 교수 연구팀은 결정 흑연을 모재로 이용, 분말야금용 금속/세라믹 입자 제조 시 전통적으로 사용하고 있는 볼밀링(ball-mliing) 기술에 직접적으로 적용하여 그래핀을 손쉽게 분리해내었다.
이 연구결과는 그래핀 필름 기판상에 스핀캐스팅 공정으로 블록공중합체를 코팅하여 자기조립화 한 후 플라즈마로 식각하는 공정을 선보였는데, 그 결과 그래핀 나노그물이 형성되었으며 이의 양자구속효과로 반도체 특성을 갖는 그래핀 트랜지스터를 만드는데 성공 하였다. 이 연구팀은 자기조립기술의 더 실용적인 접근을 위해 실리콘 나노선을 그래핀 기판상에 전사, 패터닝 하는 공정을 사용하여 6-30nm 넓이를 갖는 그래핀 나 노리본을 제안한 바 있었으며, 고성능 트랜지스터의 핵심기술인 대용량 유전 절연층 공정방식의 획기적인 기술도 원자층 증착법을 이용, 그래핀 소자 제조기술에 접목시켜 트랜지스터를 구현하는데 성공하였다.
스탠포드 대학의 다이 교수 연구그룹에서는 탄소나노튜브를 물리적인 방식을 적용, 수직으로 갈라내는 방법으로 그래핀 나노리본을 생성하는데 성공하였다. 이를 제조하는 방식을 간단하게 소개하면, 다중벽 나노튜브(Multi Walled Carbon Nanotube, MWNT)를 용액에 분산하여 실리콘 기판에 위치시킨 후, 실리콘을 용출시켜 300nm 정도의 고분자 필름내에 탄소나노튜브를 함몰시키는 방식을 이용하였다. 함몰되고 남은 길이방향으로 노출된 탄소나노튜브의 드러난 부분을 플라즈마로에칭하는 방법을 사용하여 실험을 구현하였다.
이를 제조하는 방식을 간단하게 소개하면, 다중벽 나노튜브(Multi Walled Carbon Nanotube, MWNT)를 용액에 분산하여 실리콘 기판에 위치시킨 후, 실리콘을 용출시켜 300nm 정도의 고분자 필름내에 탄소나노튜브를 함몰시키는 방식을 이용하였다. 함몰되고 남은 길이방향으로 노출된 탄소나노튜브의 드러난 부분을 플라즈마로에칭하는 방법을 사용하여 실험을 구현하였다. 나노리본의 폭은 약 10~20nm 이었으며, 매우 매끈한 표면구조특성과 매우 적은 결함을 갖고 있음이 확인되었다.

데이터처리

열류(thermal current)와 터널링 전류(tunneling current) 기반으로 이루어진 모델링은 복잡한 양자구속 효과 혹은 호핑전하(hopping conduction mechanism)이동 개념을 적용하지 않아도 실험결과를 잘 대변하는 것으로 판단된다. 제안된 모델링의 정합도를 더 살펴보기 위하여 [그림 16]에서와같이 그래핀 나노리본 소자의 채널 길이와 온도에 따른 실험결과를 모델링 결과와 비교하였다. 상온에서는 열류(thermal current)가 주요한 전하이동 기구이기 때문에 소자 채널 길이 변화에 따라서 on/off 변화는 없고 단지 채널 길이만큼 저항 변화에 따른 변화만 보인다.

이론/모형

화학적 박리법을 대체하기 위해 제안된 최신의 그래핀 제조 방식으로 기계적 박리 방식이 있다. 노벨상 수상 시 화제가 되었던 기계적 박리 기술은 맨체스터 대학교의 가임 교수팀이 기발하고도 단순한 방식으로 스카치테이프의 접착력을 이용하여 흑연표면에서 단층 그래핀을 분리하는 방법을 제안하였다.

성능/효과

함몰되고 남은 길이방향으로 노출된 탄소나노튜브의 드러난 부분을 플라즈마로에칭하는 방법을 사용하여 실험을 구현하였다. 나노리본의 폭은 약 10~20nm 이었으며, 매우 매끈한 표면구조특성과 매우 적은 결함을 갖고 있음이 확인되었다. 이렇게 제조된 그래핀 나노리본은 양자구속 효과에 의한 영향으로 높은 종횡비를 갖는 트랜지스터 특성을 나타내었으며, 이는 그래핀 나노리본 전기소자의 물리적 특성연구를 더욱 앞당기는 계기를 마련하였다.
마지막으로 개별 그래핀 나노리본 소자는 어레이 그래핀 나노리본 소자를 통해서 어레이 개수만큼 전류 증가효과를 얻을 수 있다. 이것은 현재 FinFETs 소자가 어레이 형태로 제작되어 전류값을 극대화 시키는 것을 대변해 준다.
한편, 적용되는 절연체에 따른 그래핀 도핑결과가 보고되었다. 수소 실세스콰이옥산 (Hydrogen silsesquioxane - HSQ) 절연체는 n+ 그래핀, 그리고 SiO2는 P+ 그래핀 특성을 보이는 것이 확인되었다. 이 두 가지 기술을 [그림 20]와 같이 조합하면 그래핀 나노리본 채널에 n/p 접합 (junction)이 형성되는 것을 확인할 수 있다.
07eV 에너지 밴드갭이 추출된다. 위의 결과에서 보듯이 실제 그래핀 나노리본 에지 특성은 그래핀 나노리본의 에너지 밴드갭 및 신뢰성을 결정하는 중요한 요인이 될 것으로 판단된다.
이 자기조립 공정기술을 미국 캘리포니아주립대 듀안 교수가 이끄는 연구팀이 세게 최초로 그래핀 패턴공정에 응용하여 네이쳐 나노테크놀로지에 보고 하였다. 이 연구결과는 그래핀 필름 기판상에 스핀캐스팅 공정으로 블록공중합체를 코팅하여 자기조립화 한 후 플라즈마로 식각하는 공정을 선보였는데, 그 결과 그래핀 나노그물이 형성되었으며 이의 양자구속효과로 반도체 특성을 갖는 그래핀 트랜지스터를 만드는데 성공 하였다. 이 연구팀은 자기조립기술의 더 실용적인 접근을 위해 실리콘 나노선을 그래핀 기판상에 전사, 패터닝 하는 공정을 사용하여 6-30nm 넓이를 갖는 그래핀 나 노리본을 제안한 바 있었으며, 고성능 트랜지스터의 핵심기술인 대용량 유전 절연층 공정방식의 획기적인 기술도 원자층 증착법을 이용, 그래핀 소자 제조기술에 접목시켜 트랜지스터를 구현하는데 성공하였다.
보통의 금속에서는 10nm 미만에서 양자구속 효과를 발생시킬 수 있다는 점을 고려한다면 이는 매우 우수한 물질특성으로 받아들여질 수 있다. 종합하자면 그래핀 나노리본의 구현으로 밴드갭 형성에 의한 반도체 특성 부여 및 전하이동도가 매우 우수한 전자소자로 이용할 수 있게 된다. 따라서 균일한 그래핀 나노리본을 구현하는 연구가 매우 활발히 진행되고 있다.

후속연구

현재 전자빔리소(electron-beam lithography) 공정을 적용해서 10nm 이하 너비를 갖는 대면적상의 그래핀 나노리본 소자 특성이 보고되었다.^[27,28] 앞으로 표면 거칠기억제와 더블어 5nm 이하 너비를 안정적으로 확보할 수있는 기술은 다양한 분야에 그래핀 나노리본를 적용할수 있을 것으로 기대된다.
[그림 12]에서 보여주는 여러 가지 모습의 로직소자는 차세대 소자 개발에 지대한 영향을 주고 있지만, 개별 소자의 성능을 서로 비교하는데 어려움을 주게 된다. 따라서 동일한 기준으로 서로 다른 개념의 신소자를 비교/평가하는 방법이 필요하고 그에 따른 결과를 바탕으로 차세대 전자소자 연구의 선택과 집중이 필요로 할 것이다.
이러한 화학 기상증착법으로 제조된 포일박막 총매층 기반 그래핀 합성법은 캐리어 필름을 사용하여 촉매 금속을 제거함으로써 기판으로부터 분리 시킨 후 원하는 용도에 따른 전사기술 개발이 필수적이다. 따라서 실제적인 적용을 위해서는 나노 두께를 갖는 그래핀을 50인치 이상의 대면적 크기의 합성 방식이 요구되며, 후속공정으로 주름이나 찢어짐이 없이 캐리어 필름에 접착시킨 다음 적절한 속도로 금속을 에칭(etching)시키는, 신뢰성 있는 공정라인 설비의 기술 개발 문제가 이 분야의 가장 큰 해결과제이다. 또한, CVD 합성을 위한 반응가스의 종류/농도와 금속층의 두께, 반응시간, 냉각속도 등을 조절함으로써 그래핀의 두께 및 용도별 맞춤형 그래핀 개발이 다양하게 제안되고 있으며, 이를 통한 대면적 투명전극과 트랜지스터와 같은 전기소자 제조가 한창 진행 중이다.
[그림 12~14]에서 보는 바와 같이 그래핀 나노리본 터널링 소자는 기존의 CMOS LP/HP 그리고 다른 차세대 전자소자 후보군 대비 우수한 정보처리 소비에너지, 전력 그리고 처리 속도를 보여준다. 앞에서 기술된 결과들은 이론적으로 획득 될 수 있는 결과를 기반으로 추출된 결과들이기 때문에 앞으로 실험적으로 그 결과의 신뢰성을 확인하는 작업이 진행되어야 할 것이다.
앞에서 서술된 바와 같이 새롭게 그래핀 나노리본을 형성하는 기술이 소개되었지만, 언급된 그래핀 나노리본 형성 기술은 산포와 재현성 측면에서 더 많은 연구를 필요로 한다. 따라서 앞에서 언급된 신기술과 더불어 이미 반도체 공정을 통해서 대량생산 능력을 검증받은 리소공정 개발도 그래핀 나노리본 개발에 중요한 위치를 차지한다.
이렇듯, 그래핀 나노리본 연구는 그 응용적인 측면뿐만 아니라 획기적인 물리학적 업적이 발견될 수 있는 도태를 제공해 주고 있다. 이러한 공학 기술과 과학적 진보를 바탕으로 앞으로 다가오는 세대에 그래핀 나노리본 연구는 더욱 큰 가치를 창출할 것으로 기대된다.
^[20] 이 두 논문의 소개로 인해 다양한 방식의 용액공정을 이용한 그래핀 나노리본의 제조기술이 소개되고 있으며 대부분 열처리 또는 촉매반응을 복합적으로 도입하여 생산 공정을 단순화하거나 ~10nm 급의 1:50 정도의 종횡비가 긴 그래핀 나노리본을 생산해 내는 것을 목표로 하고 있다. 이러한 제조기술을 활용하여 고성능 트랜지스터 뿐 만 아니라 매우 빠른 응답속도를 갖는 고용량 축전기 구현 및 2차 전지 전극 응용기술 개발에도 나노리본의 새로운 특성연구가 가능할 것으로 예측된다.^[21]

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	그래핀 나노리본은 어떤 형태인가?	[1] 특히 그래핀은 기존의 소재 대비 뛰어난 전하 이동도를 보이기 때문에 차세대 전자소자에 적용될 것으로 기대되고 있다.[1] 그래핀 나노리본(Graphene nanoribbon, GNR)은 2차원 전하자유도를 갖는 그래핀의 1차원 전하자유도를 갖는 한 형태이다. 이러한 그래핀 나노리본은 그래핀이 갖지 못한 특별한 특성을 보여준다.
	화학적 박리기술로 제조된 산화 그래핀을 투명전극과 같이 그래핀 본연의 전기 전도도를 요구하는 분야에 응용할 때 어떤 문제가 있는가?	[5] 이는 단순한 공정으로 인해 가장 각광받는 기술로 널리 알려져 있지만 강한 산처리 및 초음파 분쇄 시 수반되는 그래핀 가장자리 및 표면의 원자크기의 불규칙적인 결함 형성은 우리가 응용하고자 하는 뛰어난 그래핀의 물리적, 전기적 특성을 저하시키는 요인이 되기도 한다. 화학적 박리기술로 제조된 산화 그래핀를 투명전극과 같이 그래핀 본연의 전기 전도도를 요구하는 분야의 응용을 위해서는 환원상 그래핀 산화물(reduced graphene oxide)로 제조하여야 하는 번거로움이 있다.[6] 화학적으로 흔하게 시도되는 방식으로는 하이드라진(Hydrazine monohydrate, N2H4)과 같은 강한 환원제의 적용이 있으며, 이의 강한 독성으로 인해 친환경 환원제인 아스코빅산(ascorbic acid) 등의 환원제 도입도 시도되고 있다.
	볼밀방식에 의한 제조방법의 원리는?	[1] 이 박리기술과 비슷한 개념으로, 울산과기원의 백종범 교수 연구팀은 결정 흑연을 모재로 이용, 분말야금용 금속/세라믹 입자 제조 시 전통적으로 사용하고 있는 볼밀링(ball-mliing) 기술에 직접적으로 적용하여 그래핀을 손쉽게 분리해내었다.[10] 이 기술은 구슬(ball)에 의한 강한 마찰력을 이용하여 결정흑연을 단층 또는 다층의 그래핀으로 분리시킴과 동시에 탄소와의 결합력이 강하고 전자를 잘 끌어들이는 할로젠 원소(염소, 브롬, 요오드 등)를 그래핀 가장자리에 적용시킴으로써 응용 분야를 확대를 시도하였다. 이러한 볼밀방식에 의한 제조방법은 대량 생산도 가능하다는 장점이 있다.

참고문헌 (33)

K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva and A. A. Firsov, Science 306, 666 (2004).

상세보기
M. Y. Han, B. Ozyilmaz,Y. Zhang and P. Kim, Physical Review Letters 98, 206805 (2007).

상세보기
W. S. Hummers and R. E. Offeman, J. Am. Chem. Soc. 80, 1339 (1958).

상세보기
S. Stankovich, D. A. Dikin, G. H. Dommett, K. M. Kohlhaas, E. J. Zimney EJ, E. A. Stach, R. D. Piner, S. T. Nguyen and R. S. Ruoff, Nature 442, 282 (2006).

상세보기
G. Eda and M. Chhowalla, Adv. Mater. 22, 1 (2010).

상세보기
D. Yang, A. Velamakanni, G. Bozoklu, S. Park, M. Stoller, R. D. Piner, S. Stankovich, I. Jung, D. A. Field, C. A. Ventrice Jr. and R. S. Ruoff, Carbon 47, 145 (2009).

상세보기
C. Zhu, S. Guo, Y. Fang and S. Dong, ACS Nano 4, 2429 (2010).

상세보기
Y. Liu, Y. Zhang, G. Ma, Z. Wang, K. Liu and H. Liu, Ethylene, Electrochim. Acta. 88, 519 (2013).

상세보기
A. Esfandiar, O. Akhavan and A. Irajizad, J. Mater. Chem. 21, 10907 (2011).

상세보기
I. Y. Jeon, Y. R. Shin, G. J. Sohn, H. J. Choi, S. Y. Bae, J. Mahmood, S. M. Jung, J. M. Seo, M. J. Kim, D. W. Chang, L. Dai and J. B. Baek, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 109, 5588 (2012).

상세보기
K. R. Paton, E. Varrla, C. Backes, R. J. Smith, U. Khan, A. O'Neill and C. Boland et al., Nat. Mater. 13, 624 (2014).

상세보기
Q. Yu, J. Lian, S. Siriponglert, H. Li, Y. P. Chen and S. S. Pei, Appli. Phys. Lett. 93, 113103 (2008).

상세보기
K. S. Kim, Y. Zhao, H. Jang, S. Y. Lee, J. M. Kim, K. S. Kim, J. H. Ahn, P. Kim, J. Y. Choi and B. H. Hong, Nature 457, 706 (2009).

상세보기
T. Kobayashi, M. Bando, N. Kimura, K. Shimizu, K. Kadono, N. Umezu, K. Miyahara, S. Hayazaki, S. Nagai, Y. Mizuguchi, Y. Murakami and D. Hobara, Appli. Phys. Lett. 102, 023112 (2013).

상세보기
Y. C. Shin and J. Kong, Carbon 59, 439 (2013).

상세보기
J. A. Robinson, M. Wetherington, J. L. Tedesco, P. M. Campbell, X. Weng, J. Stitt, M. A. Fanton, E. Frantz, D. Snyder, B. L. Vanmil, G. G. Jernigan, R. L. Myers-Ward, C. R. EddyJr., and D. K. Gaskill, Nano Lett. 9, 2873-2876 (2009).

상세보기
J. H. Lee et al., Seicne 344, 286 (2014).
S. Iijima and T. Ichihashi, Nature 363, 603 (1993).

상세보기
L. Jiao, L. Zhang, X. Wang, G. Diankov and H. Dai, Nature 458, 877 (2009).

상세보기
D. V. Kosynkin, A. L. Higginbotham, A. Sinitskii, J. R. Lomeda, A. Dimiev, B. K. Price and J. M. Tour, Nature 458, 872 (2009).

상세보기
D. A. C. Brounson, D. K. Kampouris and C. E. Banks, J. Power Source 196, 4873 (2011).

상세보기
J. Bai, X. Zhong, S. Jiang, Y. Huang and X. Duan, Nat. Nanotechnol. 5, 190, (2010).

상세보기
A. N. Sokolov, F. L. Yap, N. Liu, K. Kim, L. Ci, O. B. Johnson, H. Wang, M. Vosgueritchian, A. L. Koh, J. Chen, J. Park and Z. Bao, Nat. Commun. 4, 2402 (2013).

상세보기
L. Liu,Y. Zhang, W. Wang, C. Gu, X. Bai and E. Wang, Adv. Mater. 23, 1246 (2011).

상세보기
S. H. Kang, W. S. Hwang, Z. Lin, S. H. Kwon and S. W. Hong, Nano Lett. 15, 7913 (2015).

상세보기
W. Xu, H. K. Seo, S. Y. Min, H. Cho, T. S. Lim, C. Oh, Y. Lee and T. W. Lee, Adv. Mater. 26, 3459 (2014).

상세보기
W. S. Hwang, K. Tahy, X. Li, H. G. Xing, A. C. Seabaugh, C. Y. Sung, and D. Jena, Applied physics letters 100, 203107 (2012).

상세보기
W. S. Hwang, K. Tahy, L. O. Nyakiti, V. D. Wheeler, R. L. Myers-Ward, C. R. Eddy Jr., D. K. Gaskill, H. Xing, A. Seabaugh and D. Jena, J. Vac. Sci. Technol. B 30, 03D104 (2012).

상세보기
International Technology Roadmap for Semiconductor 2013 edition (http://www.itrs2.net/)
D. E. Nikonov and I. A. Young, IEEE Journal on Exploratory Solid-State Computational Devices and Circuits 1, 3 (2015).

상세보기
W. S. Hwang, P. Zhao, K. Tahy, L. O Nyakiti, V. D Wheeler, R. L Myers-Ward, C. R Eddy Jr, D K. Gaskill, J. A Robinson, W. Haensch, H. G. Xing, A. Seabaugh and D. Jena, APL Materials 3, 011101 (2015).

상세보기
M. Lee, J. R. Williams, S. Zhang, C. D. Frisbie, and D. Goldhaber-Gordon, Phys. Rev. Lett. 107, 256601 (2011).

상세보기
W. S. Hwang, K. Tahy, P. Zhao, L. O. Nyakiti, V. D. Wheeler, R. L. Myers-Ward, C. R. Eddy Jr., D. K. Gaskill, H. Xing, A. Seabaugh and D. Jena, J. Vac. Sci. Technol. B 32, 012202 (2014).

상세보기

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증