Graphene for Future Emerging Technologies Workshop



이번 학회는 Graphene Flagship 컨소시엄과 Spanish Graphene Program에서 공동 주관하는 것으로, 핀란드의 노키아, 프랑스 CEA, 스페인 CSIC(Spanish National Research Council) 그리고 GRAnPH Nanotech사, GRAPHENEA NANOMATERIALS사가 후원하게 된다. 특히, 그래핀 관련 저명한 인사들의 발표로만 구성되며, 국내의 삼성을 비롯해 그래핀의 상용화를 선두에서 이끌고 있는 IBM, 노키아 및 텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments)사가 참석해 각 기업들의 발전 방향을 소개할 예정이다.
본 학회에는 전 세계에서 그래핀 연구 및 사업화에 참여하고 있는 대규모 인원이 참석했으며, 그 내용을 정리함으로써 국내 관련 종사자에게 좋은 정보를 제공할 수 있을 것으로 사료된다. 이에 그래핀 연구 및 사업 측면에서 내용을 정리하고, Graphene Flagship 및 세계 각 지역에서 구축되고 있는 네트워크를 분석하고자 한다.

글: 이창석 / LPICM(CNRS, UMR7647), Ecole Polytechnique, France
자료 협조 및 제공: KOSEN(한민족과학기술자 네트워크) / www.kosen21.org


Graphene in Europe
 
그래핀의 발견

흑연은 결정질 탄소 동소체 중 가장 오래 전부터 알려진 물질이다. 그리고 1600년대에 연필심으로써 활용되며 그 가치를 인정받았다. 이후 1985년 풀러렌, 1991년 탄소나노튜브의 발견과 함께 기존 물질에서 얻을 수 없는 놀라운 전기적, 기계적, 화학적, 열적, 그리고 광학적 특성을 선보이며 중요한 연구 대상이 되었다. 그리고 지난 2004년, 영국 University of Manchester의 Andre Geim 교수 및 당시 연구원이었던 Kostya Novoselov 박사는 스카치 테이프를 이용해 흑연으로부터 단일 원자층의 그래핀을 분리해내는 데 성공했다.

그래핀은 모든 탄소 동소체의 기본 요소로써, 적층 구조로 쌓여 있으면 흑연, 한 장 또는 여러 장의 그래핀이 말아 올려진 형태는 탄소나노튜브, 그리고 축구공 모양으로 쌓여 있으면 풀러렌이 된다. 즉, 탄소 동소체의 모든 물질 특성은 그래핀에서부터 기인한다고 할 수 있다. 다시 말하면, 물질 자체는 2004년에 발견됐지만 그래핀에 대한 연구는 이미 오래 전부터 시작됐다. 그래핀은 기존 물질이 3차원 시스템인 데 반해 이상적인 2차원 구조로써 소자 및 시스템 설계에 새로운 가능성을 열어주고 있다. 또한 기존의 반도체 물질에서 보이지 않는 독특한 특성을 선보이며, 새로운 과학의 세계를 열어가고 있다.

그래핀 연구의 현 상황

지난 2011년 10월 3일 영국 특허청의 특허 정보 분석팀은 그래핀과 관련된 세계 특허 현황을 분석하고, "An Analysis of Worldwide Patent Filings Relating to Graphene"란 제목으로 보고서를 발간했다[1]. 다음 그림1(a)는 그래핀 관련 특허를 출원하고 소유하고 있는 국가에 대한 분포도를 나타낸다. 붉은빛이 진할수록 많은 특허를 소유하고 있음을 의미하는 것으로, 어디에서 혁신이 벌어지고 있는지 명확하게 나타내주고 있다. 미국의 경우 가장 많은 특허를 보유하고 있으며, 다음으로는 일본, 한국, 그리고 중국을 중심으로 한 동아시아 지역이 차지하고 있다. 그래핀 관련 특허를 보유하고 있는 상위 20개 기업/대학을 분석해보면, 그림 1(b)에서 알 수 있듯이 삼성이 압도적으로 1위, SANDISK가 2위를 달리고 있다. 두 회사 모두 2007년부터 특허를 출원하기 시작한 후발주자로써, 집중적인 투자를 하고 있음을 알 수 있다. 대학으로는 하버드 대학, 성균관대학교, 라이스 유니버시티(Rice University) 등이 선두그룹을 형성하고 있으며, 국내의 성균관대학교를 제외하고는 모두 미국에 위치한 대학임을 알 수 있다.

영국은 그래핀을 세상에 처음 꺼내놓은 국가이지만, 위의 특허 분석 결과 실질적인 그래핀 시장에 있어서 매우 미흡한 면이 나타났다. 그나마 영국이 소유한 특허의 상당수는 외국 기업/대학과의 공동 소유로, 영국 정부는 국가 차원에서 위기 의식을 느끼고 있는 상황이다. 따라서 최근 University of Manchester를 방문한 영국 재무부 장관 George Osborne는 5천만 파운드(한화 약 890억) 규모의 "Graphene Global Research and Technology Hub" 계획을 발표했다[2]. 그리고 현재 공학자연과학위원회(EPSRC; Engineering and Physical Sciences Research Council)와 기술 전략 위원회(TSB; Technology Strategy Board)에서 그래핀 상업화를 위한 최적의 방법을 모색하고 있다.

Graphene Flagship

앞에서 언급한 영국뿐 아니라, 유럽은 그래핀의 발원지임에도 불구하고 미래 그래핀 시장 측면에서 불투명한 상황이라 할 수 있다. 따라서 지난 2011년 5월, 유럽연합(EC; European Commission)은 유럽 내 그래핀 연구의 활성화 및 협력을 위한 거대 프로젝트 "GRAPHENE-CA" 지원 계획을 발표했다. 다음 9개 기관을 중심으로 활동하며, 그래핀 관련 유럽 네트워크 형성을 위해 개별 연구 그룹들을 등록 받아 현재 483개의 그룹이 참여하고 있다. 유럽 내 그래핀 연구 자금의 중복 투자를 방지하기 위해 그래핀 관련 연구 자금을 모두 한곳으로 모아 분산시키고자 하며, 유럽의 그래핀 로드맵을 작성하기 위해 서로 정보 및 의견을 공유하고 있다. 앞으로 10년 간 10억 유로(한화 약 1조 5700억 규모)의 자금을 운용할 예정이다.

(1) CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, 스웨덴
(2) THE UNIVERSITY OF MANCHESTER, 영국
(3) LANCASTER UNIVERSITY, 영국
(4) THE UNIVERSITY OF CAMBRIDGE, 영국
(5) AMO GMBH, 독일
(6) CATALAN INSTITUTE OF NANOTECHNOLOGY, 스페인
(7) NATIONAL RESEARCH COUNCIL OF ITALY, 이탈리아
(8) NOKIA, NOKIA OYJ
(9) EUROPEAN SCIENCE FOUNDATION, 프랑스

그림 2는 Graphene Flagship에 참여하고 있는 그룹들에 대한 분석 통계 자료이다. 먼저 국가별 숫자를 살펴보면, 스페인 101개, 프랑스 69개, 영국 50개 그룹으로 선두를 형성하고 있으며, 44개 그룹의 이탈리아, 43개 그룹의 독일 등이 그 뒤를 잇고 있다. 연구 그룹의 종류를 살펴보면 대학 연구실이 289개, 연구 센터 150개, 그리고 34개의 회사 등으로 나타났다. 전체 인력 6,897명 중 40%는 permanent staff, 29%는 박사과정 학생, 15는 포닥, 그리고 10%는 엔지니어로 나타났다.

 발표 내용 소개

먼저 조직 위원들인 Arturo Azcorra(CDTI), Francisco Guinea(CSIC), Stephan Roche(ICN) 그리고 Rafael Rodrigo(CSIC)가 나와 환영 인사를 진행했다. 전체적으로 그래핀에 관한 간략한 역사 소개와, 최근 그래핀 관련 논문의 급증 현상을 언급했다. 특히 스페인 CDTI(Centro para el Desarrollo Tecnol?gico Industrial)를 이끌고 있는 Arturo Azcorra는 유럽의 재정 위기를 언급하며, 미래 그래핀 연구 개발의 필요성을 강조했다. 최근 영국, 스웨덴, 덴마크 등은 그래핀 연구에 막대한 연구 자금을 지원하겠다고 발표했는데, Graphene Flagship은 각국별, 그리고 EU(European Union), ESF(European Social Fund)의 재원을 효율적으로 분배할 필요가 있음을 설명했다.

다음으로 첫 발표를 진행하게 된 Nokia Research Center의 Tapani Ryhanen는 "A challenge for European Industries"란 주제로 강연을 시작했다. Nokia Research Center는 현재 세계 13곳에 5가지 랩을 중심으로, 550여명의 인력을 운용하고 있다[3]. 노키아는 이미 2008년 뉴욕에서 열린 MoMA에서 "Morph"라는 컨셉을 선보였다. 관련 동영상은 유튜브에서 직접 확인할 수 있다[4]. 기본적으로 소자는 투명하고 휘어질 수 있으며, 각종 센서가 내장되어 있고 아래 그림 3처럼 길을 찾기 위해 디스플레이를 들고 있으면 위치 인식과 함께 길 안내를 해줄 수 있다. 휴대용 소자에 센서 시스템을 내장하여 정보를 수집하고 맵핑함으로써, 가령 환경에 유해한 가스의 세계적 분포, 지구 온난화 현상을 모니터링 할 수 있다고 설명했다. 그래핀 관련 Nokia Research Center는 영국 University of Cambridge 내에 위치하여 오래 전부터 밀접한 관계를 유지해오고 있다. 현재는 그래핀 기반의 고주파수 소자 개발에 집중하고 있는 것으로 보인다.

이탈리아 ISOF(Istituto per la Sintesi Organica e la Fotoreattivita‘‘ del CNR)의 Vincenzo Palermo 박사는 청동, 탄소, 실리콘, 그리고 고분자 물질 등이 인류에 가져온 혁명을 소개하고, 그래핀은 그 이상이 될 것이라고 전망했다. 또한 그래핀의 발견 이후, BN, MoS2, WS2, MoSe2, MoTe2, NbSe2, NiTe2, 그리고 Bi2Te3와 같은 새로운 2차원 결정을 찾고자 하는 연구 동향을 소개했다[5].

독일 BASF사에서 참석한 Matthias Schwab 박사는 회사에 대한 간략한 소개를 시작으로, 실현하기까지의 시간을 기준으로 타깃 응용 분야들을 소개했다. 가장 단기적인 목표 분야는 그래핀 전도성 잉크로 RFID, e-textile, EMI(ElectroMagnetic Interference) shielding, 회로와 같은 인쇄 전자소자를 제작하고자 하는 것이다. 두 번째는 다임러(Daimler)사와 합작으로 그래핀을 이용한 컨셉카 "스마트 포비전(Smart Forvision)"을 소개했다[6]. 기본적으로 그래핀 e-textile을 이용한 자체 난방 시스템이 들어있고, 차체의 지붕에는 투명한 유기 태양 전지로 채워진다. 다음으로는 그래핀 고분자 복합체, 에너지 응용, 그리고 광전자 소자 등이 있다. 마지막으로 앞으로의 시장 규모를 전망하며 관련 연구의 필요성을 재차 강조했다.
이번 학회가 스페인에서 개최된 덕분에, GRAnPH Nanotech, Avanzare Innovacion Tecnologica S.L., 그리고 Graphenea Nanomaterials 등의 그래핀 관련 여러 스페인 회사들이 참여해서 발표를 진행했다. 하지만 그래핀 연구의 일반적인 내용들로 채워짐에 따라, 연구자들에게는 별다른 흥미를 주지 못한 아쉬움이 있다. 물론 몇몇 그래핀 선도 연구원 및 대학 내에 설립된 회사들은 상당한 연구 역량을 갖추고 있음이 분명하다.

지금까지 화학기상증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition)을 통해 성장된 그래핀은 다결정 물질로써, 다수의 그레인 경계를 포함하고 있다. 통상적인 CVD 공정에서는 촉매 금속인 구리 표면 임의의 위치에 그래핀 핵이 형성되고 성장됨에 따라 연속적인 다결정 필름을 형성하게 된다. 그래핀 내의 그레인 경계는 박막의 전기적, 기계적 특성을 저하시키는 것으로 알려져 있고, 그래핀 기반 소자 어레이나 회로 제작시 문제를 야기할 수 있다. 따라서 대면적의 고품질, 단결정 그래핀 박막을 성장하거나, 단결정으로 구성된 그래핀 어레이를 형성할 필요가 있다[7].

미국 텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments Inc.)사의 Luigi Colombo 박사는 그래핀 결정 성장에 관한 주제로 발표를 진행했다. Luigi Colombo 박사는 미국 University of Texas Texas at Austin의 Rodney S. Ruoff 교수와 함께 화학기상증착 시스템 내에 탄소의 융해도가 낮은 구리 기판을 최초로 적용하고 관련 연구를 이끌고 있다[8]. 이번 발표에서는 합성 조건, 즉 온도 및 압력에 따른 그래핀 결정 성장을 분석하고 최적화 과정을 선보였다. 그리고 앞으로 BN과 같이 2차원의 절연 기판을 사용하고, 또한 게이트 전극 형성을 위한 절연체로 활용하고, 마지막으로 결함 상태를 최소화 하며 저온 성장 과정이 필요할 것으로 예측했다.

노키아 리서치 센터(Nokia Research Center)는 에너지 소자에 있어 그래핀 활용을 주제로 다시 한번 강연을 진행했고, 영국 National Physical Laboratory에서는 그래핀 기반 계량학을 주제로 연구 결과를 소개했다.

그래핀 연구에 있어 라만 분광법(Raman spectroscopy)은 빠르게 물질을 분석할 수 있는 유용한 측정 장비이다. 관련 연구 분야의 기초를 다지고 있는 University of Cambridge의 Andrea Ferrari 교수는 유연한 전자소자를 위한 그래핀을 주제로 20분간 강연을 진행했다. 특히, 현재의 그래핀에 집중된 연구 열풍에서 전자소자에만 초점을 둔 연구 방향에 문제를 제기했다. 지금까지 탄소 물질 중 가장 가치 있는 물질은 흑연으로 연필심에 사용된다고 언급하며, 기존의 플라스틱 병에 DLC(Diamond-Like Carbon) 박막 코팅을 함으로써 gas barrier 역할을 할 수 있음을 선보였다. 이는 Sidel사에 기술 이전을 통해 이미 상업화 되고 있다. 또한 강입자충돌기(LHC; Large Hadron Collider) 내벽에도 코팅이 진행되고 있다고 밝혔다. 그래핀 역시 트랜지스터와 같은 전자소자에만 집중하지 말고 발상의 전환이 필요함을 재차 강조했다.

핀란드 VTT Technical Research Centre의 Raimo Korhonen 박사는 그래핀을 포함한 유기물/무기물 R2R 프린팅 기술에 관해 발표했다. 연구진은 투명하고 유연한 기판 위에 프린팅 기술을 이용해 칩을 제작하고, 신체가 닿는 여러 곳에 다기능 칩을 집적함으로써 e-healthcare, in situ monitoring/sensing 등의 분야를 개척하고 있었다[9]. 또한 대량 생산을 위한 파일럿 라인을 구축해 놓았다고 설명했다. 프린팅 기술은 그 무엇보다 저렴한 공정으로, 산업적인 가치가 높다고 할 수 있다. 프린팅을 위한 기존의 물질 및 기반 시설을 바탕으로 그래핀이 어떠한 시너지 효과를 창출할 수 있는지 주목할 필요가 있다.

미국 IBM의 Chun-Yung Sung 박사는 IBM사의 그래핀 연구 방향과 앞으로의 목표 수치들을 구체적으로 언급했다. 현재 IBM의 200GHz 이상의 고주파수 그래핀 트랜지스터를 입증한 바 있으며, 내년에는 400GHz, 내후년에는 500GHz의 그래핀 트랜지스터 제작을 목표로 하고 있다고 밝혔다. 특히, 그래핀 관련 영향력 있는 논문을 쏟아내고 있는 만큼 방대한 양의 연구 결과를 파노라마 식으로 보여줬다. CMOS칩 제작을 위해 현재 3nm 수준의 놀라운 패터닝 기술을 소개하고, 다만 열 방출 문제 때문에 실질적인 소자 제작으로 이어지기 어렵다고 설명했다.

미국 IBM 다음으로는 국내 삼성종합기술원 Graphene Center 소속 정현종 박사의 발표가 이어졌다. 먼저 ICP-CVD 기술을 이용함으로써 700도의 저온에서 고품질의 그래핀을 6인치 대면적 기판 위에 성장했음을 보여줬다[10]. 온도는 생산 비용과 직결되는 문제로써, 그래핀의 경우 성장 온도를 낮춤에 따라 결함 상태가 급격하게 증가하는 문제가 있었다. 그리고 사진 10과 같이 대면적 기판 위에 고주파수 그래핀 트랜지스터를 제작함으로써, 최대 202 GHz의 주파수를 기록했다[11]. 마지막으로 ITRS 2011 보고서를 인용하며, 현재의 실리콘 기반 고주파수 트랜지스터는 300GHz를 기록했고, 그래핀의 경우 100~300GHz를 나타내며 이론적으로는 1THz 이상이 가능하다고 설명했다.

미국 IBM과 국내 삼성종합기술원은 차례로 고주파수 그래핀 트랜지스터에 관한 발표를 진행함으로써 그래핀 실용화가 한층 다가왔음을 보여줬다. 성능 면에서는 IBM이 조금 앞서고, 공정상 삼성종합기술원이 장점을 보유한 것으로 보인다. 두 회사는 반도체 업계에서 기술의 선두권을 놓고 앞으로도 치열한 경쟁이 예상된다.

이탈리아 L-NESS 소속 Roman Sordan 박사는 현재 Nanoscale Device Group을 이끌고 있으며, 이번 워크숍에서는 독일 막스플랑크 연구소의 Klaus Kern 교수와 함께 그래핀 논리 회로 및 메모리를 주제로 강연을 시작했다. 연구진은 2009년 Applied Physics Letter지에 발표한 논문을 통해 하나의 단일층 그래핀 위에 p 타입, n 타입 트랜지스터를 기반으로 한 인버터를 제작했다[12]. 기본적으로 그래핀은 p 타입 특성을 나타내기 때문에 다른 한쪽의 트랜지스터를 전기적 어닐링을 진행함으로써 n 타입 특성으로 변환시킬 수 있다. 하지만 전압 이득(voltage gain)이 너무 낮기 때문에 상부 게이트 전극을 형성하거나 그래핀의 밴드갭을 열 필요가 있다. 따라서 고분자 전해액을 게이트 절연체로 이용한 상부 전극 구조의 트랜지스터를 제작해 0.6의 높은 전압 이득을 얻는 데 성공할 수 있었다[13].

지금까지 금속, 반도체, 그리고 유기물에 이르기까지 다양한 물질이 스핀트로닉스 개발을 위해 연구되어 왔다. 그 중에서도, 그래핀은 단연 유리한 점을 지니고 있다. 첫 번째로 상온에서 스핀 수송 현상이 최초로 관측됐다[14]. 실질적인 소자는 상온에서 구동하기 때문에 매우 중요한 요소라 할 수 있다. 또한 그래핀 내 스핀의 수명은 매우 길기 때문에 긴 채널을 따라 편광 된 상태로 스핀이 남아 있게 된다. 마지막으로 최근 연구에서는 백 게이트 구조를 통해 스핀 수송을 전기적으로 제어할 수 있음이 입증됐다. 원자 두께의 그래핀 박막은 위와 같은 이유로 스핀트로닉스에 있어 이상적인 물질로 평가 받고 있다. 따라서 2007년 자기저항효과의 발견을 통해 노벨 물리학상을 수상한 프랑스의 Albert Fert 교수도 그래핀을 이용한 스핀트로닉스 개발에 참여하고 있다.

프랑스 Universite Paris-Sud 11 소속 P. Seneor 박사는 실리콘 카바이드 기판 위에 성장된 다중겹 그래핀을 이용한 자기저항효과 실험에 대한 결과를 발표했다. 산화 알루미늄 터널링 장벽과 함께 코발트 전극으로 구성된 소자는 M ohm 범위의 스핀 저항을 나타냈다. Dirft/Diffusion 방정식을 통해 분석한 결과 100um 범위의 스핀 확산 거리를 기록했다. 그리고 스픽트로닉스 개발을 위해 탄소나노튜브와 그래핀의 비교 자료를 제시했다. 그래핀 내 스핀은 수명이 길고, 전자의 이동 속도가 빠르기 때문에 스핀 확산 거리가 매우 길다. 즉, 대면적 논리 회로 및 스핀 정보 처리 소자 제작에 적합하다. 앞으로 스핀 완화 메커니즘 이해와 함께 다양한 스핀 소자 구조를 테스트할 필요가 있다.

미세전자기계시스템(MEMS)의 계속적인 소형화는 다가오는 미래에 혁명을 예고하고 있다. 나노크기의 공진기, 스위치, 그리고 밸브 등은 정보 처리, 분자 조작, 그리고 센싱 등의 다양한 분야에서 활용이 가능하다. 그 중에서도 가장 대표적인 분야는 나노 역학 공진기(nano mechanical resonators)로써, 외부에서 인가된 힘에 응답하여 진동하는 소자이다. 스페인 Catalan Institute of Nanotechnology의 A. Bachtold 박사는 그래핀을 이용한 기계적 소자에 관한 발표를 진행했다. 연구진은 500nm 거리의 홀바(Hall bar) 구조의 소자를 제작하고, 고진공, 저온(90mK) 조건에서 측정을 진행했다. 공진기와 게이트 전극 사이에 전압을 인가함으로써 소자의 정전기적 진동을 측정함으로써, 비선형 감쇠 거동을 확인할 수 있었다. 공진 소자에 있어서 Quality factor인 Q는 통상적으로 그 크기가 감소함에 따라 작아지게 된다. 하지만 그래핀의 경우 이러한 통상적인 관계가 성립하지 않으며, 100000에 이르는 Quality factor를 얻을 수 있다.

그래핀 나노 역학 공진기를 이용해 질량 측정이 가능하기 때문에, 생체 분자의 성장을 측정하기 위한 기판으로 활용할 수 있다. 또한 가스 분자의 주입, 분리, 그리고 검출이 가능한 특성을 바탕으로 다중 가스 분석 시스템 개발이 가능할 것으로 전망된다.
그래핀은 포토닉스 및 광전자소자에 있어서 그 잠재력이 상당한 것으로 평가된다. 실제로 최근 연구를 살펴보면 그래핀은 태양 전지, 발광 다이오드, 터치 스크린, 광검출기, 그리고 극초단파 펄스 레이져를 개발하는데 성공했다. 영국 Cambridge University의 Francesco Bonaccorso 박사는 태양광 분야에 초점을 잡고 발표를 진행했다.

그래핀은 태양광 소자 내에서도 다양한 목적으로 활용될 수 있다. 먼저, 그래핀은 한 장당 2.3%의 일정한 빛을 흡수하면서 또한 뛰어난 전기적 특성을 지니기 때문에 기존의 값비싼 산화인듐주석(ITO; Indium Tin Oxide)을 대체할 수 있는 투명전극으로 사용할 수 있다. 또한 ITO는 휨 실험에 대해 면저항이 크게 증가하고 크랙이 생기는 단점이 있는 반면, 그래핀은 유연한 특성 덕분에 플렉서블 태양광 소자 제작에도 적합하다. 탄소나노튜브 역시 투명전극 분야에서 하나의 대안으로써 활발하게 연구되고 있다. 하지만 낮은 파장으로 갈수록 투과도가 감소하는 경향이 있는 반면, 그래핀은 모든 파장 영역에서 일정한 투과도를 지니고 있다. 환경적인 측면에서는 탄소나노튜브의 안정성이 그래핀보다 다소 높은 것으로 평가 받고 있다.

광검출기(photodetector)는 흡수된 포톤의 에너지를 전류로 변환시킴으로써 포톤의 플럭스 또는 광학적 파워를 측정하게 된다. 오늘날 리모콘, 텔레비전, 그리고 DVD 플레이어 등에 널리 활용되고 있다. 대부분의 광전효과에 있어서 흡수된 포톤은 가전도대에서 전도대로 전하를 발생시키고 전류로 추출하게 된다. 이 때 물질의 흡수 능력은 그 밴드폭에 의해 결정된다. 4족 원소 또는 3-5족 기반의 광검출기 소자는 입사하는 에너지가 밴드갭보다 작은 장파장 영역에서 빛을 흡수하지 못하고 투과하게 된다. 그래핀의 경우 자외선 영역에서부터 테트라헤르츠 영역까지 흡수가 가능하기 때문에, 더 넓은 영역에서 구동이 가능하다. 응답 시간은 전하의 이동도에 의해 결정되는데, 다시 말해 그래핀 기반 광검출기는 초고속 특성을 이끌어낼 수 있다.

태양 전지 개발에 있어서는 생성된 전류를 추출하는 과정에서 손실을 최소화하기 위한 노력이 진행되고 있다. 1차원의 나노 물질로 구성된 전극에 그래핀을 접목함으로써 전력 손실을 줄이고, 빠른 수송이 가능하기 때문에, 모든 측면에서 획기적인 향상을 가져올 수 있다. 그래핀은 현재 실리콘 태양 전지, 유기 태양 전지, 그리고 염료 감응형 태양 전지 등에 다양한 목적으로 테스트가 진행됐다. 그래핀은 태양광 소자 내에서 복합적인 목적으로 활용이 가능하기 때문에 다른 요소들을 최소화 하고, 소자 구성을 최적화 할 수 있는 가능성이 있다. 마지막으로 이번 학회에서 소개된 내용 이외에, 그래핀의 활용 가능성에 대해 더 살펴볼 필요가 있다. 그래핀은 전기적 전도도 뿐 아니라 열 전도도가 매우 뛰어나다. 따라서 열 소산을 위한 방열 소자 제작이 가능하다. 계속적인 소형화는 열 방출 증가로 이어지고 있는데, 근본적으로 소형화 및 열 소산이라는 모든 측면에서 그래핀 적용이 가능한 것이다.

통상적인 열전기 현상은 다른 종류의 두 금속 와이어가 접합을 형성하고, 이 영역에서 열이 가해졌을 때 양쪽 반대편 끝에서 전압을 측정할 수 있다. 만약, 두 종류의 물질이 동일한 금속이라면 전압은 발생하지 않는다. 최근 미국 MIT의 연구진은 기존의 학설을 부정하는 그래핀의 열전 효과를 보고했다. 두 금속이 닿아 있는 접합부에 열이 인가되면, 각 금속에 전압이 발생한다. 두 금속이 다른 물질이라면 접합을 가로지르는 알짜 전압은 0이 아니고, 동일하다면 0이 된다. 이러한 열 차이에 의해 발생하는 전압비를 열전력(thermopower) 또는 제베크 계수(Seebeck coefficient)라 한다.

다른 조건에 놓인 단일층 그래핀의 두 영역은 각각의 제베크 계수를 갖는 것이 입증됐다. 그래핀의 전자 밀도는 외부 게이트 전극에 인가된 전압에 의해, 즉 전계효과에 의해 쉽게 제어할 수 있기 때문에 충분히 가능한 일이다. 전도도의 변화는 곧 제베크 계수의 변화를 의미한다. 상온에서 그래핀에서 관측된 제베크 계수의 변화는 단위 K 당 수십 ueV로 금, 은, 구리와 같은 통상적인 두 금속 사이에서 발생하는 것보다 10배 이상 높고, 현재의 열전대(thermocouple) 기술에서 활용하는 합금에 상응하는 수준이다. 게다가, 이러한 값은 외부 전압에 의해 제어가 가능하다. 효율적인 광전자 소자의 설계를 위해서는 소자 내 광전압 발생 메커니즘에 대한 충분한 이해가 필요하다. 외부 제어 요소와 함께 그래핀의 광열전 효과에 대한 명확한 고찰을 통해, 그래핀 기반 광전자 소자의 새로운 가능성을 제시할 수 있을 것이다.

그래핀은 표면 부식 또는 산화 방지 코팅, 박테리아 방지 코팅, 전자자 차폐 코팅 등의 표면 응용 분야에서도 다양한 연구가 진행되고 있다.

맺음말

초청 강연으로만 구성된 이번 워크숍에는 약 250여명의 그래핀 관련 종사자들이 참석했으며, IBM, 삼성, 노키아 등의 대기업뿐 아니라 다수의 벤처 기업들이 모습을 드러내며 그래핀에 대한 열기가 학계에서부터 산업계로 많이 확대됐음을 알 수 있었다. 참석한 기업들이 명단을 살펴보면 퀄콤, Philips, LG 디스플레이, Oxford Instruments, AIRBUS, STMicroelectronics, Texas Instruments, BASF SE등 다양한 분야에서 그래핀에 주목하고 있었다.

국내에서도 그래핀 관련 네트워크가 형성되고 있으며 대학 및 기업 곳곳에 그래핀을 중심으로 한 센터가 설립되고 있다. 다만 아쉬운 점은 국제적 협력 및 네트워크가 강한 유럽에 비해 국내의 연구는 협력에 취약한 독자적인 노선을 따르고 있다는 것이다. 또한 한중일 모두 그래핀 강국으로 자리매김하고 있지만 협력이 아닌 경쟁 체재 중심이라는 점이다. 앞으로 한중일 사이에 그래핀 관련 밀접한 네트워크가 형성될지 기대해본다.
Graphene Flagship에 의해 개최된 이번 워크숍의 발표 내용 및 토론 내용들은 앞으로 유럽 그래핀 기술 개발을 위한 토대가 될 것이다. 앞으로도 다양한 형태로 그래핀 관련 토론회/회의 등이 개최될 예정이며 유럽의 그래핀 경쟁력 강화를 위해 노력할 예정이다.

 

Reference
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2. http://nds.coi.gov.uk/content/Detail.aspx?NewsAreaID=2&ReleaseID=421451
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9. http://www.vttprintedintelligence.fi/cpi_2010.pdf, 2010 Annual Report
10. Jeon et al., Passivation of Metal Surface States: Microscopic Origin for Uniform Monolayer Graphene by Low Temperature Chemical Vapor Deposition, ACS Nano, 5(3), 1915-1920 (2011)
11. Lee et al., RF Performance of Pre-patterned Locally-embedded-Back-Gate Graphene Device, IEDM 2010
12. F. Floriano et al., Integrated complementary graphene inverter, APL 94, 223312 (2009)
13. Adarsh Sagar et al., Polymer-electrolyte gated graphene transistors for analog and digital phase detection, APL 99, 043307 (2011)
13. Nikolaos Tombros et al., Electronic spin transport and spin precession in single graphene layers at room temperature, Nature 448, 571-574 (2007)

※ 참조: 학회에 참가했던 국내외 한인 과학자와 해외 과학자의 소속 및 연락처

● 국내외 한인 과학자
권원종: LG Chem Co., Ltd, wjkwon@lgchem.com
김철홍: LG Display Co.,Ltd., ytkim@yu.ac.kr
박성준: Samsung Electronics
이창석: Ecole Polytechnique, LPICM, changseok.lee@polytechnique.edu
정현종: 삼성전자종합기술원, Graphene Center, hyunjong.chung@samsung.com
홍순형: Office of Strategic R&D Planning, Ministry of Knowledge Economy, shhong@osp.go.kr

● 해외 과학자
Adrian Bachtold, ICN/CIN2, adrian.bachtold@cin2.es
Amaia Zurutuza, GRAPHENEA, a.zurutuza@graphenea.com
Andrea Ferrari, University of Cambridge, acf26@hermes.cam.ac.uk
Cesar Merino Sanchez, GRAnPH Nanotech, cesar.merino@granphnanotech.com
Chun-Yung Sung, IBM, sungc@us.ibm.com
Di Wei, NOKIA, di.wei@nokia.com
Francisco Guinea, CSIC,
Frank Koppens, ICFO,
Jari Kinaret
Jan-Theodoor Janssen, National Physical Laboratory Ltd, jt.janssen@npl.co.uk
Jose-Sanchez Gomez, Airbus,
Julio Gomez, AVANZARE, julio@avanzare.es
Luigi Colombo, Texas Instruments, colombo@ti.com
Mark Rahn, MTI, mrahn@mtifirms.com
Matthias Schwab, BASF, matthias.schwab@basf.com
Pierre S?n?or, Thales-CEA, pierre.seneor@thalesgroup.com
Rafael Rodrigo, CSIC,
Raimo Korhonen, VTT, raimo.Korhonen@vtt.fi
Roman Sordan, Politecnico di Milano,
Stephan Roche, ICN,
Tamara Blanco, Airbus,
Tapani Ryh?nen, NOKIA, tapani.ryhanen@nokia.com
Vincenzo Palermo, CNR, palermo@isof.cnr.it

 

그림 1. (a) 그래핀 관련 특허를 소유한 국가에 대한 분포 밀도. (b) 그래핀 관련 특허를 소유한 상위 20개 업체 리스트.
인용: An Analysis of Worldwide Patent Filings Relating to Graphene, 영국 특허청

사진 1. (위) 그래핀을 발견한 Andre Geim, Kostya Novoselov
교수. (아래) 영국 재무부 장관 George Osborne와 대화를 나누는
그래핀 발명자들.

사진 2. (a) Graphene Flagship을 이끄는 각 파트너들의 책임자들, (b) 자문 위원으로 참여하고 있는 위원들의 명단으로,
4명의 노벨상 수상자가 참여하고 있으며, 국내 홍병희 교수도 포함돼 있다. (c) 각 파트너 기관 들의 로고.

그림 2. (a)Graphene Flagship에 참여하고 있는 연구 그룹들의 국가별 숫자, (b) Graphene Flagship의 로고
(c) 연구 그룹의 종류에 따른 분포, (d) 연구 인력에 따른 분포.

사진 3. (a) 환영 인사, (b) 스페인 CDTI의 Arturo Azcorra

그림 3. Nokia가 제시한 Morph 컨셉 및 이미지.

사진 4. 이탈리아 ISOF의 Vincenzo Palermo 박사의 강연 장면.

사진 5. (a,b) BASF 사의 강연 장면, (c) 컨셉카 스마트 포비전(Smart Forvision)의
이미지로, (d) 그래핀 e-textile을 적용한 경량의 다기능 자체 난방 시스템이 내장돼 있다.

사진 6. (a,b) Texas Instruments Inc.사 Luigi Colombo 박사의 강연 장면

사진 7. University of Cambridge, Andrea Ferrari 교수의 강연 장면

사진 8. Raimo Korhonen 박사의 강연 내용, 인용 VTT 2010 Annual Report.

사진 9. 미국 IBM사의 발표 장면

사진 10. 삼성종합기술원 정현종 박사가 소개한 그래핀 고주파수 트랜지스터

그림 4. L-NESS 소속 Roman Sordan 박사가 소개한 고분자 전해액 절연체를 이용한 상부 전극
그래핀 트랜지스터 및 응답 특성. 인용: Adarsh Sagar et al., APL 99, 043307 (2011)

 

 
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