그래핀을 포함한 흑연층 위에 품질 좋은 반도체 박막을 제조하여 원하는 기판에 마음대로 붙여 사용할 수 있는 발광소자(LED)가 국내 연구진에 의해 처음으로 개발되었다.

* 그래핀(Graphene) : 육각형의 탄소화합물로, 지금보다 수백 배 이상 빠른 반도체를 만들 수 있는 차세대 전자소재로 전 세계 연구자들로부터 각광 받는 꿈의 신소재

** 발광소자(light emitting device) : 전기를 빛으로 변환하는 소자로, LED(발광다이오드)와 반도체 레이저가 대표적임

서울대 이규철 교수의 주도 하에, 정건욱 학생(석사과정)이 이철호 학생(박사과정)과 함께 수행한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 직무대행 김병국)의 리더연구자지원사업(창의연구)의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 세계 최고 권위의 과학 전문지인 ‘사이언스(Science)’ 10월 29일자에 게재되었다.

지금까지 전 세계 연구자들은 발광면적이 넓어 효율도 높으면서 가격도 저렴하고 품질도 좋은 반도체 발광소자를 개발하기 위해 다각적으로 노력해왔지만, 괄목할만한 성과를 거두지 못했다.

1879년 에디슨이 백열전구를 발명한 이후, 낮은 전력과 긴 수명으로 차세대 발광소자로서 주목 받고 있는 LED는 현재 휴대폰, LCD(액정 디스플레이) TV의 광원, 실내외 조명 등 다양하게 사용되고 있다.

그러나 품질 좋은 LED를 만들기 위해서는 단결정 기판을 사용해야 하는데, 이것은 가격이 비싸고 발광면적도 작은 단점이 있다.

이에 전 세계 연구자들은 단결정 기판 대신에, 값싸고 발광면적도 넓은 유리, 플라스틱, 금속 등 다양한 기판 위에 고성능 발광소자를 만들고자 노력해왔지만, 이러한 소재는 고온에서 변형되거나 타버려 제작에 한계가 있었다.

이규철 교수 연구팀은 지금까지 시도되지 않은 독자적인 방법(나노소재를 중간층으로 이용)으로 그래핀층 위에 고품질의 반도체 박막을 제조하고, 이 박막을 원래의 기판에서 쉽게 떼어내 원하는 기판에 자유자재로 붙일 수 있는 LED 개발에 성공하였다.

이번 연구에서 기판으로 사용된 그래핀층은 쉽게 분리되는 장점이 있지만, 표면이 매우 안정되어 품질 좋은 박막을 제조하기 위한 기판으로는 사용할 수 없었다.

그러나 이 교수팀은 산화아연 나노소재를 중간층으로 이용한 그래핀층 위에 고품질의 질화갈륨(GaN) 반도체 박막을 제조하는데 성공하고, 간단한 방법으로 이것을 원하는 기판에 옮겨 붙일 수 있는 기술을 개발하였다.

이 교수팀의 이번 연구성과는 유연하고 튼튼한 차세대 소재로 각광받고 있는 그래핀층에 LED, 디스플레이, 태양전지 기능을 접목할 수 있는 가능성을 열었다.

연구팀은 현재 국내특허 출원을 완료하고, 미국, 일본 등 국외특허 출원을 진행하고 있으며, 향후 기술 이전도 계획하고 있다.

특히 이번 연구결과는 순수 국내연구진이 단독으로 세계 최고 권위지에 발표한 이례적인 값진 연구 성과로서, 그 의미가 매우 크다.

이번 연구는 반도체 나노막대 창의연구단장인 이규철 교수와 학생 2명이 단독으로 이룬 성과로서, 지금까지 사이언스와 같은 세계 최고 학술지에는 저명한 외국학자와의 공동연구가 아닌, 국내연구팀 단독으로 논문을 발표한 사례를 거의 찾아볼 수 없다.

또한 제1저자가 석사 과정생(정건욱씨)으로, 우리나라 이공계 학생의 우수성을 전 세계에 알릴 수 있었고, 이번 성과가 기초연구로부터 원천기술을 끌어내 산업발전에 기여하는 응용 연구까지 성공한 ‘창의연구의 전형적인 모델’이 되었다는 점에서 의의가 있다.

이규철 교수는 “우리 학생들과 일궈낸 이번 연구결과는 단결정 기판 위에서만 품질 좋은 반도체 박막을 제조할 수 있다는 기존의 통념을 깨고, 다양한 기판 위에서 고품질의 반도체 소재를 만들 수 있다는 새로운 패러다임을 제시한 것으로, 학계ㆍ연구계ㆍ산업계에 미치는 영향이 매우 크다.

이번 연구를 통해 우리 연구팀은 LED와 디스플레이 및 고효율 태양전지 개발에 의미 있는 한걸음을 내디뎠으며, 우리나라가 반도체 강국으로 유지ㆍ발전할 수 있는 새로운 원천기술을 개발하는데 기반이 될 것으로 기대 된다”라고 연구의의를 밝혔다.