2차원(2D) 소재로 알려진 원자 두께의 소재는 전자 산업을 포함한 미래 기술에 혁명을 일으킬 것입니다. 그러나 2D 재료를 포함하는 장치의 상용화는 이러한 극도로 얇은 재료를 제조 현장에서 장치로 옮기는 어려움으로 인해 어려움을 겪었습니다. 연구자들은 그래핀과 같은 2차원 물질을 더 쉽고 저렴하며 덜 손상되게 전사할 수 있는 UV 감응 테이프를 만들었습니다.

규슈 대학과 Nitto Denko의 연구원들은 UV 조사에 따라 "점착성"을 2차원 재료로 바꾸는 테이프를 개발했습니다. 출처 : 규슈대학 아르고연구소

이제 규슈대학교 연구팀은 일본의 Nitto Denko와 협력하여 2D 재료를 다양한 표면에 부착하는 데 사용할 수 있고 간단하고 사용하기 쉬운 테이프를 개발했습니다. 그들의 연구 결과는 2024년 2월 9일 저널 "Nature Electronics"에 게재되었습니다.

"2D 재료를 전송하는 것은 일반적으로 매우 기술적이고 복잡한 과정입니다. 재료는 쉽게 찢어지거나 오염되어 고유한 특성을 크게 감소시킬 수 있습니다."라고 규슈 대학 글로벌 혁신 센터의 아고 히로키(Hiroki Ago) 교수는 말했습니다. "우리 테이프는 빠르고 쉬운 대안을 제공하며 손상을 줄입니다."

규슈대학교 연구원들은 그래핀을 전사하기 위해 폴리머 대신 UV 테이프를 사용하면 재료의 무결성을 더 잘 유지하고 결함을 줄일 수 있다는 사실을 발견했습니다. 출처 : 규슈대학 아르고연구소

연구진은 먼저 그래핀에 집중했습니다. 그래핀은 탄소 원자의 얇은 시트로 만들어지며 견고하고 유연하며 가벼우며 열 전도성과 전기 전도성이 높습니다. 그래핀은 발견 이후 '기적의 소재'로 평가돼 왔으며 바이오센싱, 항암제 전달, 항공, 전자 장비 등의 분야에서 활용될 수 있다.

아고 교수는 “그래핀을 만드는 주요 방법 중 하나는 구리막 위에 그래핀을 성장시키는 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition)이다. 하지만 제대로 기능하려면 그래핀을 구리에서 분리해 실리콘과 같은 절연성 기판으로 옮겨야 한다”고 설명했다. "이를 위해서는 그래핀을 보호 폴리머로 덮은 다음 산과 같은 에칭 용액을 사용하여 구리를 제거해야 합니다. 새 기판에 부착되면 용매를 사용하여 보호 폴리머 층을 용해시킵니다. 이 공정은 비용이 많이 들고 시간이 많이 걸리며 그래핀 표면에 결함이 생기거나 폴리머 흔적이 남을 수 있습니다."

따라서 Argo 교수와 그의 동료들은 그래핀을 전사하는 대체 방법을 제공하는 것을 목표로 삼았습니다. 이들은 인공지능 기술을 사용해 자외선에 노출되면 그래핀으로 끌어당기는 힘이 바뀌는 'UV 테이프'라는 특수 폴리머 테이프를 개발했다.

새로 설계된 UV 테이프는 그래핀 및 전이금속 디칼코게나이드를 포함한 2D 재료를 실리콘, 세라믹, 유리 및 플라스틱을 포함한 다양한 기판에 전사할 수 있습니다. 출처 : 규슈대학 아르고연구소

UV 조사 전 테이프는 그래핀에 대한 접착력이 강해 '붙일' 수 있습니다. 그러나 자외선 조사 후에는 원자 결합이 변해 그래핀과의 접착력이 약 10% 감소했다. UV 테이프도 약간 더 단단해지고 떼어지기 쉬워집니다. 종합해 보면, 이러한 변화를 통해 그래핀은 남겨두고 테이프를 장치 기판에서 벗겨낼 수 있습니다.

연구진은 또 2차원 물질을 적층할 때 보호층 역할을 할 수 있는 절연체인 백색 그래핀(hBN)과 차세대 반도체에 이상적인 전이금속 디칼코게나이드(TMD) 등 두 가지 다른 2차원 물질을 전사할 수 있는 테이프도 개발했다.

중요한 것은 연구원들이 2D 재료를 전사한 후 표면을 자세히 관찰한 결과 현재 전통적인 기술을 사용하여 전사했을 때보다 2D 재료 표면이 더 매끄럽고 결함이 적다는 것을 발견했다는 것입니다. 이러한 재료의 특성을 테스트할 때 그들은 또한 더 효율적이라는 것을 발견했습니다.

지금까지 규슈 대학과 Nitto Denko의 연구원들은 UV 테이프를 사용하여 직경이 최대 10cm인 그래핀 웨이퍼를 성공적으로 전사했습니다. 크기가 작은 UV 테이프의 경우 손으로 붙이고 떼어낼 수 있습니다. 그러나 대량생산에는 기계가 매우 유용하다. 출처: Nakatani et al., Nature Electronics,

전사에 UV 테이프를 사용하면 현재 전사 기술에 비해 다른 많은 이점을 얻을 수 있습니다. UV 테이프는 구부러질 수 있고 전사 과정에서 플라스틱 용해 용제를 사용할 필요가 없기 때문에 유연한 플라스틱을 장치의 기판으로 사용할 수 있어 잠재적인 응용 범위가 확대됩니다.

아고 교수는 “예를 들어 그래핀을 테라헤르츠 센서로 활용한 플라스틱 장치를 만들었다”며 “X선처럼 테라헤르츠 방사선도 빛이 통과할 수 없는 물체를 통과할 수 있지만 인체에 해를 끼치지는 않는다”고 말했다. "의료 영상이나 공항 보안 분야에서 큰 잠재력을 가지고 있습니다."

게다가 UV 테이프는 원하는 크기로 절단할 수 있으므로 정확한 양의 2D 재료만 전송하면 되므로 낭비가 최소화되고 비용이 절감됩니다. 서로 다른 재료의 2차원 레이어는 서로 다른 방향으로 쉽게 쌓일 수 있으므로 연구자는 중첩된 재료의 새로운 특성을 탐색할 수 있습니다.

다음으로 연구원들은 UV 테이프를 제조업체가 요구하는 규모로 확장하는 것을 목표로 하고 있습니다. 현재 이동할 수 있는 가장 큰 그래핀 웨이퍼는 직경이 10cm이다. 아르고 교수와 동료들은 테이프에 주름이나 기포가 생겨 작은 결함이 생길 수 있는 문제도 해결하기 위해 노력하고 있다.

연구팀은 또한 2D 소재의 안정성을 향상시켜 UV 테이프에 더 오랫동안 부착하고 다른 과학자 등 최종 사용자에게 배포할 수 있기를 바라고 있습니다.

Ago 교수는 “최종 사용자는 어린이의 스티커처럼 UV 테이프를 붙이고 제거하기만 하면 아무런 교육 없이 원하는 기판에 재료를 전사할 수 있다”고 말했습니다. "이 손쉬운 접근 방식은 연구 스타일을 근본적으로 바꾸고 2D 재료의 상업적 개발을 가속화할 수 있습니다."

컴파일된 소스: ScitechDaily