그래핀, 산업 규모 소자 집적을 위한 정밀 나노물질 배치 구현

나노물질은 비교할 수 없는 광학·전기적 특성을 지녀 주류 반도체 제조에 보텀업 통합이 기대됩니다. 그러나 지정된 칩 부위에 오염 없이 정밀하게 증착하는 일은 여전히 난제입니다. 그래핀—극도로 얇고, 강하며, 유연하고, 고전도성—은 혁신적 해법을 제시합니다.

IBM 리서치 브라질의 산업기술과학 그룹에서는 나노물질—밀리미터의 백만 분의 1 크기 입자—을 개발·적용·대량생산용으로 확장합니다. 30년 전만 해도 단일 원자 관측·조작이 불가능했으나, 현대 기술로 나노스케일 거동 탐구와 모델링이 가능해졌습니다.

신규 논문 "용액으로부터 그래핀을 이용한 지향적 나노물질 배치와 대규모 소자 집적"이 Nature Communications에 게재되었습니다. 학계 협력자들과 함께 그래핀에 전기를 가해 고체 표면의 원하는 어느 위치에나 나노물질을 거의 완벽한 97% 수율로 증착할 수 있음을 최초로 입증했습니다.

이 방식의 그래핀 활용은 웨이퍼 규모 나노물질 통합을 나노미터 정밀도로 가능케 합니다. 특정 나노스케일 위치에 증착할 수 있을 뿐 아니라, 다중 부위에서 병렬로 수행해 대량 통합을 실현했습니다. 이 연구는 특허(US9412815B2)로 보호됩니다.

대형 그래핀 층 위에 구조화된 대향 그래핀 전극 쌍 사이에서 전기장 보조로 나노스케일 물질을 배치하는 예술적 렌더링. 양자점(빨강), 탄소나노튜브(회색), 이황화몰리브덴 나노시트(흰색/회색)가 각각 0D, 1D, 2D 나노물질의 대표 사례로, 그래핀 기반 전기장 보조 배치법으로 대규모 조립이 가능함을 보여줍니다.

그래핀은 전기장을 지탱할 수 있는 가장 얇은 전도성 물질입니다. 이 전기장을 이용해 나노물질을 그래핀 시트 위로 유도합니다: 그래핀 전극의 설계된 형상과 패턴이 최종 배치를 결정합니다. 이는 나노물질 구축에 전례 없는 정밀도를 제공합니다. 기존 방식은 구리 같은 금속에 의존하지만, 구리는 조립 후 깨끗이 제거할 수 없어 성능을 해치거나 나노물질을 파괴합니다. 그래핀은 정밀도와 쉬운 제거를 모두 제공합니다.

이 방법은 나노물질 형상—양자점, 탄소나노튜브, 2D 나노시트 등—에 구애받지 않습니다. 기능성 트랜지스터를 제작해 성능을 평가했습니다. 전자소자 외에도 랩온칩 미세유체공학에서 입자 조작과 트래핑에 적용 가능합니다(US20170292934A1).

그래핀 기반 나노물질 배치 기술의 진보는 차세대 태양전지, 스마트폰·태블릿용 고속 프로세서, 전기적으로 제어되는 온칩 양자 광방출기·검출기 같은 양자 소자를 가능케 할 것입니다. 이런 소자는 단일 광자를 방출·검출해 안전한 양자 통신에 필수적입니다.

우리 연구는 그래핀이 표준 물질로는 불가능한 방식으로 나노물질을 통합할 수 있음을 보여주며, 야심찬 그래핀 플래그십 이니셔티브의 목표인 산업 규모 전자제품 제조의 길을 닦습니다. 산업계와 협력해 지식 창출, 기술 개발, 이 보텀업 통합법의 채택을 가속화하고자 합니다.

Graphene‑enabled and directed nanomaterial placement from solution for large‑scale device integration. Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-018-06604-4.