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    (연구자 인터뷰)

    연구자 인터뷰는 기계.건설공학 분야의 종사자의 추천 및 자체 선정을 통해 선발된 우수 연구진을
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    • 이창구 교수
      보론 나이트라이드(Boron Nitride) 적층기술을 통한 새로운 형태의 그래핀 소자 연구
      이창구 교수(성균관대학교 기계공학부)
      이메일:peterleeskku.edu
      장소:성균관대학교 수원캠퍼스
      11659 3 0

     

     

    안녕하세요. 메트릭 회원 여러분! 최근 노벨물리학상 수상자 발표를 계기로 그래핀(Graphene)에 대한 관심도가 매우 높아졌습니다. 특히 그래핀 상용화를 앞 당길 수 있는 연구 성과가 연이어 나오고 있는데요. 오늘 인터뷰에서 만나 보실 분은 기능성은 높지만 상업화 가능성이 매우 낮은 것으로 평가받았던 '그래핀 전자소자'를 연구해 오신 성균관대학 기계공학과 이창구 교수님이십니다. 콜럼비아 대학 연구팀과 함께 기존의 그래핀 전자소자에 주로 쓰던 산화실리콘을 그래핀과 같은 2차원 물질로 대체하는 데 성공하셨는데요. 그럼 교수 님을 직접 찾아뵙고 자세한 이야기를 나눠보도록 하겠습니다.


    1. 지금 교수님께서 하고 계시는 연구주제와 내용에 관해서 간단히 말씀해주시기 바랍니다.

    - 저는 이차원 나노소재를 주로 연구하고 있습니다. 이차원 나노소재라고 하면 현재 가장 많은 사람들이 알고 있는 그래핀이라는 물질이 대표적입니다. 하지만 그래핀이 유명하지만 그 이 외에도 이차원 나노소재에는 보론 나이트라이드(Boron Nitride)MoS₂(이황화몰리브덴, molybdenum disulfide) 등 그 이외 에도 다른 많은 이차원 나노물질들이 있습니다. 제가 하는 연구는 그래핀으로 시작해서 다른 많은 이차원 나노 물질들의 물성을 측정하고, 이것들을 이용해서 전자소자, 기계소자, 과학 소자 등 다양하게 응용하는 연구를 진행하고 있습 니다.

     

     

    2. 교수님께서 연구하신 그래핀 전자소자에 대한 이야기를 듣고 싶은데요. 교수님께서 연구하시는 그래핀 전자소자는 무엇을 말하는 건가요?

    - 그래핀 전자소자는 여러분들이 가장 잘 알고 있는 것으로 트랜지스터(Transistor)가 있습니다. 하나의 단위 부품을 소자라고 볼 수 있고, 이런 소자들이 여러 개가 연결되어 만들어진 것을 회로라고 합니다. 저는 단위 소자를 만들고 이 소자에 물리적 인 특성 ,전기, 전자적, 그리고 과학적 특성들을 측정하고 어떻게 응용할 수 있을지 제조방법에 대해서도 연구하고 있습니다.


    3. 구체적으로 상용화할 경우, 어디에 활용이 되는 건지요?

    - 그래핀으로 전자소자를 만드는 경우 대표적으로 트랜지스터를 만들 수 있습니다. 트랜지스터의 특성은 여러가지 있는데 주로 증폭기능과 스위치기능이 있습니다. 방식에 따라서 아날로그 소자도 있고 아날로그 트랜지스터, 디지털 트랜지스터가 있는데, 그래핀은 물리적인 특성으로 인해서 아날로그 트랜지스터로 쓰일 가능성이 가장 높을 거 같습니다. 트랜지스터는 기본적으로 하나의 구성품이기 때문에 실제 응용에 있어서는 매우 다양합니다. 저는 가장 기본적인 원천기술인 전자소자를 연구하고 있습니다.   예를 들어 설명하면 유리를 어디에 쓰나요? 거울, 창문, 차 유리에도 쓸 수 있고 다양하게 쓸 수 있기 때문에, 가장 베이직한 레벨의 유리를 어떻게 만드는가? 이러한 것을 연구한다고 보시면 됩니다. 원천적이고 기본적인 레벨에서 그러한 전자소자를 연구하고 있습니다.


    4. 보도된 내용을 따르면 교수님께서는 그래핀 성능을 높이기 위해서 2차원 물질인 보론 나이트라이드(Boron Nitride)를 이용하셨다고 들었습니다. 보론 나이트라이드는 어떤 물질이기에 그래핀의 성능을 높일 수 있는 것입니까?

    - 사실 보론 나이트라이드는 많이 들어보지 못하셨을겁니다. 하지만, 여성분들은 사실 매일 사용하고 있는 물질입니다. 보론 나이트라이드라는 물질은, 화장품 아이섀도우에서 반짝이는 물질이 보론 나이트라이드입니다. 처음 이 물질이 사용하게 된 계기는 바로 화장품 산업에서 무독성이면서, 반짝이는 효과를 내는 물질이 필요해서 처음에 만들어지게 됬습니다. 이 물질은 화장품 산업에서 가장 많이 쓰이고 있고 그 물질은 기계공학쪽에서는 윤활유로 많이 쓰이고 있어요. 이 보론 나이트라이드 물질은 그래핀과 기본적인 분자레벨 또는 원자레벨에서 구조자체가 똑같습니다. 보론 나이트라이드의 물질구성 단위 원자들은 보론과 나이트라이드로 구성되어 있고, 그래핀은 탄소로 구성이 되어있습니다. 그 외는 격자구조 또는 원자레벨에서의 구조는 거의 똑같다고 볼 수 있습니다. 그것 때문에 이 두가지 물질이 이렇게 같이 만들어질 때 함께 곂쳐질 때 상승효과(Synergism)가 있어서 그렇지 않나 생각하고 있습니다.



     

    5. 대부분 흑연의 산화/환원 반응을 이용하여 흑연에서 그래핀을 분리하는 방법이 대중적으로 이용되고 있는데, 교수님께서는 보론 나이트라이드를 어떻게 이용하셨기에 그래핀의 성능까지 고려한 새로운 형태를 만들 수 있었는지 궁금합니다.

    - 방금 말씀하신 산화하는 과정에 의해서 추출된 것이 그래핀입니다. 그런데 이 과정에서 화학적인 처리를 많이 하기 때문에 그 품질이 별로 좋지 않아요. 그래서 이렇게 만들어진 그래핀으로는 전자소자로 사용하긴 어려워요. 대신 전기적인 응용으로 쓰이고 있구요. 고품질인 경우에는 전자소자로 쓰이고 있다고 보면 됩니다. 제가 사용하는건 이렇게 생성된 그래핀을 쓰는게 아니구요. 보통 그래핀에서 많이 아시는 분들은 스카치테이프로 만들어냈다고 하잖아요. 그렇게 해 서 만들어진 그래핀과 똑같이 스카치테이프로 만들어낸 보론나이트라이드를 함께 곂치게 됩니다. 그렇게 했을 때 고품질의 그래핀소자를 만들 수 있다라는 것이 여기서 핵심기술이죠.


    6. 핵심기술을 개발하시게 된 계기는 무엇인가요?

    - 저희가 보론 나이트라이드라는 물질을 얻었는데, 연구 그룹에서 이 물질을 어디다 사용할 수 있을지, 그래핀하고 비슷한데 두 가지 물질을 합해서 어떻게 상승작용을 일으켜 새로운 것을 만들어볼 수 있을까?라는 토론을 하다가 찾게 되었습니다 .


    7. 이 기술의 핵심은 무엇입니까?

    - 핵심기술은 두 가지의 물질을 합쳐 쌓았다는 건데, 핵심적인 내용은 이 두 가지의 물질을 어떻게 쌓을 것인가?쌓음으로 인해서 왜 이런 좋은 효과가 나타나는가?가 핵심적인 연구의 내용이였습니다. 저희가 스카치테이프로 조그마한 그래핀과 보로 나이트라이드 조각을 만들었는데, 아주 작기 때문에 이걸 이 상태로 위에 쌓는다는게 상당히 쉽지가 않았어요. 그 기술을 개발하는데 상당히 오랜 시간이 걸렸고, 두 물질을 쌓은 후에 전자소자를 만들었어요.  이렇게 만든 전자소자의그래핀의 성능이 기존의 자주 쓰는 산화실리콘 기판 위에서 그래핀으로 소자를 만들었을때보다 월등하게 뛰어난 성능을 발휘했습니다. 이 성능이라는 것은 전자의 이동도가 그래핀안에서 10배정도 빠르다는 것입니다.   보론 나이트라이드 위에 그래핀을 쌓아서 올리면 왜 이러한 현상이 생기는지, 성능향상이 있는지 다양한 방법으로 연구를 많이 하고, 어느정도 증명을 하게 되었습니다. 또 다른 연구그룹에서도 이 방법을 따라서 해보니까 우리가 제시했던 이론대로 결과가 나온 것을 알게 되었습니다. 현재는 학계에서도 그래핀을 생성하는 방법 중 이 방법이 가장 신뢰성이 있는 방법으로 알려져 있고, 더욱 안정적이고 신뢰성 있는 방법으로 개발하려고 많은 시도를 하고 있는 것으로 알고 있습니다.


    8. 교수님의 연구로 인해 테라헤르츠(THz)급 전자소자 및 트랜지스터의 상용화 가능성이 매우 높아졌다고 들었습니다. 현재 어느 정도까지 상용화가 가능한 것인가요?

    - 상용화에 관해서는 여러 가지 기술개발이 필요하겠지만, 장비 개발과 대량으로 생산하는 점이 문제입니다. 그래핀 자체가 워낙 가능성이 무궁무진한 물질인데-특히 전자가 아주 빠르게 이동한다는 그게 상당히 큰 매력적인 부분이거든요.-기존의 산환실리콘 기판으로 생산했을 때는 이론적 속도보다 1/10 이하로 전자가 아주 천천히 흐르게 되니 이걸로 소자를 만들다고 해도 테라헤르츠급의 좋은 소자를 만들 방법이 없는거죠. 근데 저희가 보론 나이트라이드 기판을 찾아냄으로 인해서 그 방법을 찾아낸거죠. 이게 바로 원천적인 기술이죠.


    9. 이번 그래핀 소자 성능 보전 신기술 개발 연구는 국내외 공동으로 콜롬비아대학 연구팀과 함께 하신 걸로 알고 있습니다. 어떻게 함께 연구하게 되었는지요?

    - 제가 원래 콜롬비아 대학에서 박사후과정을 했고, 박사후과정을 하는 동안에 아이디어가 나왔고, 그 프로젝트를 진행하던 도중에 한국에 성균관대학교에 교수로 부임하게 되었어요. 그래서 계속 이어서 같이 하게 된거죠.


    10. 교수님의 연구 성과는 앞으로 그래핀 이용 차세대 반도체, 디스플레이, 태양전지 개발의 주요 걸림돌을 극복한 것으로 보도되는데요. 그래도 한계점이라는 게 있을 것 같습니다. 교수님의 연구에서 보완해야 할 부분이나 아쉬운 점이 있다면 무엇일까요?

    - 이 기술 자체는 사실 그래핀의 여러 가지 활용도 중에서 디스플레이 아니면 태양전지 아니면 소자나 센서 등 여러 가지가 있는데, 이 기술 자체에는 전자소자에 한정되어 있는 부분이구요. 상용화 되는데에는 각 응용 분야에 따라서 상용화의 레벨이 다르 다고 볼 수 있습니다. 그런데 디스플레이같은 경우에는 제가 보기에는 약 5년 이내에 그래핀을 이용해서 상업화 된 것이 나올 수 있겠구요. 테라헤르츠 소자를 위해서는 IBM과 인텔같은 회사에서 많이 연구하고 있고, IBM에서 많은 진척을 이루었습니다. 개인적으로 약 10년정도 예상하고 있구요. 나머지 부분에서도 아주 그렇게 빠르게 그 상업화를 위한 투자와 연구가 많이 진행되고 있기 때문에 대략 10~15년 이내에 아주 많은 부분에서 그래핀을 응용한 제품들이 실제로 나오지 않 을까 이렇게 예상하고 있습니다.


    11. 이외에 교수님의 대표적 연구는 무엇입니까?

    - 방금 제가 말씀드린 그래핀의 전자소자 이외에도 제 전공이 기계공학이기 때문에 기계공학분야에서도 사실 많은 연구를 했습니다. 그 중에서 대표적으로 그래핀의 기계적인 물성을 처음으로 측정을 하고 규명을 했어요.  이 연구에서 그래핀의 탄성계수와 강도를 측정했는데, 탄성계수를 봤을때는 지금까지 알려진 물질중에서 그래핀이 가장 탄성계수가 높은 물질 중에 하나이고, 특히 강도는 지금까지 측정된 물질중에서 가장 강하다는것을 증명 했습니다. 이 논문을 2008년도 사이언스지에 게재를 했고, 이후로도 많은 학자들이 저의 논문을 인용하고 있습니다.


    12. 마지막으로 앞으로의 계획이 어떻게 되시는지 궁금합니다.

    - 저는 계속해서 이차원 나노물질들에 대해서 계속 연구를 하게 될거 같은데요. 아직은 이차원 물질들이 세상에 소개된지 약 6~7년 밖에 되지 않습니다. 그래서 학문적으로 연구되지 않은 것들이 아주 많이 있거든요. 특히 원천적인 부분에서 더 물질들의 특성을 규명하기 위해서 많이 노력할거구요. 그래서 그게 어느정도 규명이 되고 난 후에는 이러한 물질들을 응용해서 기계공학분야에 전자분야에 응용해서 다양한 것들을 만들어내고자 생각하고 있습니다.


    13. METRIC회원들과 기계공학을 전공하는 학생들에게 한마디 부탁드립니다.

    - 저도 학부때부터 이렇게 대학원과 박사후과정까지 기계공학을 전공했었어요. 그런데 지금 연구하고 있는 분야는 기계공학을 넘어서서 물리와 화학까지 포함해서 융합적인 연구를 하고 있습니다.   현재 기계과학을 하시는 분들에게 이야기하고 싶은 것은 기계공학분야에 있어서 공부를 하는 동안에 기초를 다지고 눈을 넓혀서 다양한 분야를 경험해보시는 것이 좋지 않을까?하는 것입니다. 그러면 앞으로 엔지니어라던지 학자가 되던지 간에 폭 넓은 연구와 깊이 있는 연구를 할 수 있지 않을까 그렇게 생각 합니다.


     

    • 그래핀(Graphene): 탄소 원자로 이루어져 있으며 원자 1개의 두께로 이루어진 얇은 막으로 그래핀은 구부릴 수 있는 디스플레이나 전자종이, 착용식 컴퓨터(wearable computer) 등을 만들 수 있는 전자정보 산업분야의 미래 신소재로 주목받고 있다
    • 보론 나이트라이드(Boron Nitride): 백색의흑연이라고 불리우는 신소재 쎄라믹스에서는 유일하게 기계가공성이 뛰어난 보론 나이트라이드는 BN의 화학식을 갖고 있는 질화붕소로서 흑연과 비슷한 6방정계 구조를 갖고있어 화학적,물리적 성질이 흑연과 비슷합니다.
    • MoS₂(이황화몰리브덴, molybdenum disulfide): MoS₂의 분자식을 가지는 것으로, 고체 윤활제로서 유명하다. 금속의 표면에 잘 흡착하고, 또 분자끼리 접촉하는 면은 유황(硫黃)의 결합이므로 그곳에서 층상(層狀)의 미끄럼 현상이 생기는 것이 특징이며 분말 그대로 발라도 좋고, 또는 그리스, 기릉 등에 섞어서 사용해도 좋다.



    * 인터뷰 진행: 정민경 리포터
    * 촬영 및 편집 : 박수진 ( sujin@metric.or.kr )

     

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