▲ 시계 방향으로 서울대학교 재료공학부 문동훈 연구원(단독 1저자), 이원식 연구원(참여저자), 장혜진 교수(참여저자), 이관형 교수(교신저자), 한정우 교수(참여저자)[출처=서울대학교 공과대학]서울대(총장 유홍림) 공과대(학장 김영오)에 따르면 재료공학부 이관형 교수 연구팀이 다양한 기판 위에서 웨이퍼 면적의 단결정(single-crystal) 2차원 반도체를 직접 성장시킬 수 있는 신기술 ‘하이포택시(Hypotaxy)’를 세계 최초로 개발했다.같은 학부의 장혜진, 한정우 교수 연구팀과 함께 연구했다. 이번 연구 결과는 2025년 2월20일 세계 최고 권위의 학술지 ‘네이처(Nature)’에 게재됐다.최근 인공지능(AI) 기술 발전에 따라 반도체 성능 향상의 필요성이 커졌고 소자의 전력 소모를 줄이려는 연구 또한 활발해졌다.따라서 기존의 실리콘을 대체할 새 반도체 소재가 주목받는 중인데 그중 얇은 두께와 뛰어난 전기적 특성을 지닌 2차원 물질 ‘전이금속칼코겐화물(Transition metal dichalcogenide, 이하 TMD)’이 차세대 반도체로 주목받고 있다. 그러나 이를 높은 품질로 합성해 산업적으로 활용할 수 있는 대량 생산 기술이 부족한 실정이다.현재 가장 유망한 합성 기술인 화학기상증착법(chemical vapor deposition, CVD)은 전기적 특성의 저하, 성장한 TMD의 전사(transfer, 다른 기판으로 옮기는 추가 공정) 등의 문제를 안고 있다.높은 결정성(crystallinity)을 갖는 기판 위에서 TMD를 성장시키는 ‘에피택시(epitaxy)’ 방식도 성장 후 전사 과정이 수반되고 특정 기판만 사용 가능하다는 한계가 있다.반도체 및 박막 소재 제작에 필수적인 기술로 여겨졌던 이 방식은 합성 시 TMD의 결정성, 표면, 층수가 불균일해 전기적 성능이 저하되는 약점도 존재한다.고품질 TMD에 기반한 고도의 3차원 집적화

▲ 미토머티리얼솔루션(MITO Material Solutions)의 홍보자료[출처=MITO Material Solutions 홈페이지]미국 그래핀 공급업체인 미토머티리얼솔루션(MITO Material Solutions)에 따르면 검증되고 기능화된 그래핀(VERIFIED FUNCTIONALIZED GRAPHENE®) 표준 인증을 획득했다.즉 미토머티리얼솔루션은 시설, 프로세스 및 재료에 대한 제3자 테스트를 통한 직접 검사를 성공적으로 통과했다. 기능화는 그래핀에 다른 요소를 추가하거나 재료를 처리하여 특성을 향상시키는 고도로 숙련된 과정이다.검증되고 기능화된 그래핀 인증은 그래핀 분류 프레임워크에 따라 기능화된 그래핀 재료에 대한 독립적인 전문가 테스트가 포함된다. 현재 나노기술 국제 표준 ISO/TS 80004-13:2017에 공식적으로 채택됐다.인증은 그래핀 생산 및 기능화 시설에 대한 독립적인 제3자의 검사, 생산 방법, 수량 및 품질 관리 프로세스의 검증을 포함하는 유일한 자격 증명에 해당된다.또한 인증은 고객이 기능화된 그래핀 재료를 공급하기 위해 유능한 파트너와 협력하고 있다는 것을 신뢰할 수 있는 증표로 평가된다.이를 통해 미토머티리얼솔루션은 통합하기 어려운 재료를 사용하기 쉽고 비용 효율적인 하이브리드 첨가제로 개발해 고급 재료 성능을 향상시킬 수 있는 역량을 구비한 것으로 평가받았다.이와 같은 미토머티리얼소루션의 역량은 그래핀 위원회(The Graphene Council)에 의해 보증됐다. 그래핀 위원회는 그래핀 및 고급 2D 재료 부문을 대표하는 독립 기관이며 전 세계적으로 3만 명 이상의 재료 전문가 및 전문가를 대표한다.특히 그래핀 위원회는 그래핀의 상업적 채택 및 적용을 지원하기 위한 표준 설정, 테스트 및 교육에 적극적으로 참여하고 있다. 

캐나다 젠야타벤처스(Zenyatta Ventures)에 따르면 그래핀(graphene) 연구를 위해 2개의 펀드로부터 자금을 지원받았다.2개 펀드는 캐나다 자연과학 및 공학연구협의회(Natural Science and Engineering Research Council of Canada, 이하 NSERC)의 공동연구개발 보조금과 혁신산성 II를 위한 온타리오센터의 엑셀런스 바우처(Ontario Centres of Excellence Voucher for Innovation and Productivity II) 교부금이다.젠야타벤처스는 궬프대(University of Guelph)의 아이쳉 첸 교수(Aicheng Chen)와 2015년부터 그래핀 연구를 협력해왔다. 또한 젠야타벤처스는 연방 및 주정부 프로그램을 통해 연구자금을 확보하고 재능 있고 창의적인 연구자를 모집하고 있다.NSERC Engage 프로그램에 따라 두 프로젝트에서 개발한 지적재산(IP)은 젠야타벤처스가 소유한다. 그래핀의 시장 잠재력을 높이기 위해 더 많은 연구자를 지속적으로 파악해 채용할 방침이다.그래핀에 대한 자체 시장수요를 개발하고 인큐베이터 프로그램에 더 많은 IP를 추가할 수 있을 것으로 기대된다. 예를 들어 알바니 흑연프로젝트는 결정질 흑연의 크고 독특한 품질을 보증할 수 있을 것으로 기대된다.참고로 아이쳉 교수는 최근 전기화학 및 나노과학 분야의 새로운 티어1(Tier 1) 캐나다 연구 위원장으로 선정된 바 있다. 아이쳉 교수는 향후 7년간 연구비로 $C 140만달러의 지원받게 된다.▲ Canada-zenyatta-Graphene▲ 젠야타벤처스 홍보 자료(출처 : 홈페이지)

미국 MIT대(Massachusetts Institute of Technology)에 따르면 그래핀 시트를 이용해 초박막 갈륨 비소 및 질화 갈륨 칩을 저렴하게 대량 생산할 수 있는 기술을 개발했다.또한 이 기술을 활용하면 소형 포토닉스 디바이스와 같은 2차원 전자 부품 제조에 필요한 단일층 재료를 획득할 수 있다.대학 연구팀은 실리콘과 같은 단일 원자결정은 실크 스크린 기술에 의해 복제될 수 없지만 실질적으로 분자가 그물 전기극성을 지니고 있는 2차원 시트 또는 필름은 원격 에피 택시를 통해 대량 생산할 수 있다는 것을 발견했다. 실크 스크린 기술은 원격 에피 택시라고 부른다.주기율표의 다양한 종류의 복합 재료에 대해 그래핀을 복사해 붙여 넣을 수 있고 단결정의 독립 구조로된 매우 얇은 막 화합물 재료를 만들 수 있다는 것을 알아냈다.연구팀은 원격 에피 택시와 함께 작동하지 않는 다른 여러가지 이유 때문에 다른 초박막도 여전히 다른 방법으로 복사될 수 있다는 것을 발견했다.이러한 발견을 바탕으로 연구팀은 2차원 재료를 통해 기판 위에 단결정 화합물 반도체를 성장시키는 방법을 고안했다. 화합물 반도체 박막은 플렉시블 기판에 의해 박리되어 박막 간섭으로 인해 무지개 빛의 색을 나타낸다.원자 수준의 정밀도로 웨이퍼 크기의 2차원 재료를 처리 할 수 있는 방법을 개발한 것으로 평가된다. 웨이퍼 위에 두꺼운 2차원 재료를 성장시킬 수 있다.또한 원격 에피 택시와 제어된 균열 전파 사이에서 더욱 유연하고 효율적인 전자, 광 및 기타 박막 기반기술을 보다 안정적으로 대량 생산할 수 있을 것으로 평가된다. 참고로 이 연구결과는 'Nature Materials and Science'에도 발표됐다. ▲ US-MIT-Graphine-wafers▲MIT대의 그래핀을 이용한 2차원 웨이퍼(출처 : 홈페이지)

중국 헤이룽장성은 제 4회 중국국제고급재료박람회에서 블랙골드라 불리는 그래핀(Graphene)산업을 차세대 산업으로 육성하기 위해 2016년에서 2018년까지 3년간 그래핀(graphene)산업 행동계획을 추진하기로 했다.헤이룽장성 정부는 또한 향후 2년간 일정 규모 이상의 그래핀 하이테크기업 10곳을 육성 및 지원하기로 했다. 그래핀(Graphene)이란 흑연을 구성하고 있는 것으로 벌집 모양의 육각형이 그물처럼 평면으로 연결되어 있는 한층을 말한다.▲ US_Manchester University_Homepage_strain-in-graphene-image-library.jpg▲STRAIN IN GRAPHENE(출처 : 맨체스터대학교 홈페이지)그래핀은 전기전도성은 구리보다 100배, 전자이동성은 실리콘보다 100배, 강철보다 200배 이상의 고강도, 열전도성은 다이아몬드보다 2배 이상 높고 투명성과 신축성이 매우 뛰어난 두께 0.2mm의 물질이다.

중국 헤이룽장성은 제 4회 중국국제고급재료박람회에서 블랙골드라 불리는 그래핀(Graphene)산업을 차세대 산업으로 육성하기 위해 2018년까지 3년간 그래핀(graphene)산업 행동계획을 추진한다고 밝혔다. 또한 향후 2년간 일정 규모 이상의 그래핀 하이테크기업 10곳을 육성 및 지원할 계획이다.