[하이라이트] 그래핀 도핑 기술 및 전자소자로의 응용

서론

인듐 주석 산화물(ITO)을 투명전극으로 이용한 고 성능 플렉시블 및 스트레처블 전자소자는 기계적인 충격에 약하다는 단점 때문에 상용화에 많은 어려움 이 있는 실정이다. 이러한 단점을 극복하기 위해서 무 기 나노 소재 기반의 재료들이 소개되고 또한 연구되 어 왔다[1, 2]. 그 중에서도 그래핀은 sp² 혼성결합의 육각형의 격자를 가지는 탄소물질로서 기계적 강도가 강철의 200배, 열 전도성이 다이아몬드의 2배 이상, 그리고 휘거나 구부려도 전기적 특성이 변하지 않는 유연한 성질을 가지고 있어 최근 연구에서 ITO를 대 체할 만한 투명 전극으로서 각광을 받고 있다[3, 4].

하지만, 이러한 뛰어난 성질에도 불구하고 이를 실질 적으로 투명전극의 응용에는 큰 어려움이 있다. 바로 전자소자에서 중요하게 작용하는 일함수와 면 저항이 ITO에 비해서 상대적으로 차이가 있다는 점이다. 대 부분의 전자소자에서는 일함수 정렬을 통해서 전자와 정공을 효과적으로 이동시켜 소자의 효율을 극대화하 는데, 그래핀의 일함수는 ITO에 비해서 상대적으로 낮아서 그 동안의 소자구조에서는 적합하지 않는다는 단점이 있어 왔다. 또한 현재 기술적으로 합성 가능한 그래핀이 이론적인 그래핀의 캐리어 이동도에 미치지 못하고, 이로 인해 합성된 그래핀의 면 저항이 ITO에 비해서 상대적으로 높은 값을 가지기 때문에 소자에 서 전자와 정공이 효율적으로 전달되지 않는다는 점 이 단점으로 지적되어 왔다.

이러한 문제를 해결하기 위해서는 실리콘 분야에서

주로 사용되던 도핑기술을 도입하여 그래핀의 일함수 를 높이고 면 저항을 낮추고자 하는 노력이 시도되었 다. 실리콘 기술에서는 3족 또는 5족 이온을 주입하여 p- or n-type으로 도핑하거나, 도핑 시키고자 하는 물 질과 함께 높은 온도에서 열처리를 하여 얻는다. 그러 나 그래핀은 원자 1층으로 이루어진 물질이므로 실리 콘 기술에서 통용하던 기술을 적용하기 어려워 새로 운 도핑 기술을 개발해야만 하는 상태이다.

본고에서는 그래핀의 도핑이 어떻게 이루어지는 가 에 대해서 원리를 설명하고, 그래핀 도핑방법과 도핑 된 그래핀의 전자소자로의 적용 가능성과 그 결과에 서 대해서 소개하고자 한다.

그래핀 도핑 원리 및 방법

도핑은 물질의 전기적, 전자적 성질을 가장 효과적 으로 바꿀 수 있는 방법으로, 주로 반도체를 다루는 기 술에서 주로 사용된다. 전자적인 특성을 바꾸기 위해 서 전자를 주거나 받을 수 있는 물질을 첨가한다. 그래 핀 도핑은 실리콘 기술에서 사용되고 있는 원리와 비 슷하지만 약간 다른 메커니즘으로 진행된다. 방법에는 크게 3가지 방법이 있는데, 이들 모두 각각의 특징이 다르며 원리도 약간씩 다르다. 이번 장에서는 그래핀 도핑 원리와 그 방법에 대해서 소개하고자 한다.

1) 치환도핑

치환도핑은 실리콘 기술에서 주로 사용되는 방법으 로, 그래핀이 발견된 이래로 탄소 원자를 주기율표 상 권기창, 김수영

중앙대학교 화학신소재공학부, [email protected]

에서 좌, 우에 위치하는 보론과 질소로 치환하려는 시 도가 많이 진행되었다. 그래핀은 밴드갭이 없어 반도 체 특성을 띄지 않으므로 반도체로 사용하기 어렵다 는 단점이 있는데, 치환도핑은 이러한 그래핀의 밴드 갭을 열 수 있는 유용한 방법으로 보고되고 있다. 보

론과 질소는 최외각 전자가 3가, 5가이며, 탄소와 그 크기가 비슷하다는 점에서 가장 좋은 어셉터와 도너 이다. 이러한 보론과 질소를 이용하여 그래핀의 탄소 와 치환한 결과 실제로 가전자대와 전도대를 열어줄 수 있다는 실험결과가 보고되었다. 그래핀 치환도핑 에는 크게 두 가지 방법이 있는데, 첫 번째로는 그래 핀을 합성하는 도중에 치환시키는 방법이다. 그래핀 을 합성하는 방법 중 가장 일반적인 방법으로는 화학 증기 기상법(Chemical Vapor Deposition, CVD)을 이용하는데, 이 방법을 통해서 합성할 때 보론(HBO3, H2B6)과 질소(NH3)가 첨가된 가스를 메탄과 동시에 흘려 주어 보론과 질소가 치환된 그래핀을 합성한다 [5, 6]. 두 번째 방법으로는 합성된 그래핀에 앞서 설 명한 기체를 흘려주면서 고온에서 열처리를 하거나 플라즈마를 쪼여 주는 방법이다[7, 8]. 그래핀 산화물 에 강한 열처리를 하면서 보론과 질소를 포함한 가스 를 흘려 주면 산화물은 환원되는 동시에 치환되는 결 그림 1. Trimethyl boron source와 플라즈마를 이용하여

boron 도핑된 그래핀[5].

[그림 2] CVD합성 중에 암모니아를 흘려주어 합성된 n형으로 도핑된 그래핀의 모식도, (a) 그림에서 파란색의 구는 구조 적으로 탄소, 빨간색은 graphitic 질소, 녹색은 pyridinic 질소, 노란색은 pyrrolic 질소를 나타낸다. (b) n형 도핑이 이루어진 그 래핀과 원래 상태의 그래핀을 전계 효과 트랜지스터로 전기적 특성을 각각 측정하여 결과를 비교하였다[7].

과를 얻을 수 있으며, 플라즈마의 세기와 흘려주는 가 스의 량을 통해서 도핑 정도를 조절할 수 있다. 그렇 지만 이러한 도핑방법에는 그래핀의 구조적인 결함을 불러올 수 있다는 점이 단점으로 지적되고 있다. 그래 핀의 구조적인 결함은 결국 그래핀의 전도성을 떨어 뜨리게 되고 소자 적용 시 심각한 장애가 될 수 있다.

2) 화학적 도핑

그래핀 전극을 기반으로한 전자소자를 구현하는데 있어서 밴드 에너지를 조절하는 것은 전자소자의 효 율과 신뢰성에 매우 중요한 역할을 한다. 그러나 원하 는 밴드 에너지대를 가지며 전도성을 가지는 물질을 찾는 것은 상당히 어려운 일이다. 그러므로 표면처리 나 화학적 방법으로 처리하여 일함수를 변화시키는 것이 더 좋은 방법이 된다. 실리콘 기반의 기술에서도 화학물질을 이용하여 그 성질을 변화시키는 연구가

10년 이상 지속적으로 이루어져 왔다. 많은 과학자와 공학자들은 목표로 하는 물질의 전기적 성질을 효과 적으로 조절할 수 있는 도핑 방법에 대해서 연구해왔 으며, 화학적 물질을 이용한 도핑방법은 목표 물질의 기계적, 화학적 성질을 변화시키지 않으며 전기적 성 질을 쉽게 조절할 수 있다는 점에서 가장 많은 연구가 진행되었다. 이러한 이유로, 화학물질을 이용한 탄소 물질의 일함수 조절과 전기적 특성 향상을 위한 도핑 은 자연적인 수순으로 진행되어왔다.

화학물질을 이용하여 그래핀을 도핑하는 것은 이론 적, 실험적인 방법을 통해서 그 동안 지속적으로 연구 되어 왔는데, 그래핀의 일함수는 사용하는 화학물질 에 따라서 p형 혹은 n형으로 달라질 수 있다. 흔히 유 기물 전도체를 도핑하는 물질로 잘 알려진 금 염화물 은 그래핀을 도핑하는데 가장 잘 알려진 물질로 그래 핀의 일함수를 높이고 면 저항을 낮출 수 있는 p형 도

그림 3. 그래핀 위에 금 염화물과 바이올로젠 도핑 용액을 떨어뜨려 그래핀에 도포하면 그림과 같은 깁스 자유 에너지 의 변화에 따라서 각각 다른 반응이 일어나 p형, n형의 도핑을 일으킬 수 있다[9].

그림 4. 그래핀 표면에 질산과 같은 산 증기를 이용하여 처리하면 그래핀의 p형 도핑이 일어날 수 있고, 이를 통해서 면 저항을 낮출 수 있으며, layer-by-layer 전사를 통해서 면 저항을 더 많이 낮출 수 있다[10].

펀트이다. 금 염화물은 니트로메탄이라는 용매에 녹 아서 금 3가 양이온과 염소 이온으로 해리되는데 금 3 가 양이온이 그래핀으로부터 전자를 빼앗아 금 나노 입자로 환원되는 반응은 깁스 자유 에너지가 음수여 서 그래핀 표면에서 자발적으로 일어나게 된다. 이와 비슷하게 여러 가지 높은 일함수와 음의 깁스 자유 에 너지를 가지는 금속 염화물을 이용하여 그래핀의 일 함수와 면 저항이 낮추어지는 결과가 발표된 바 있다.

그래핀의 일 함수는 4.2~4.4 eV로 알려져 있으며, 금 염화물 도핑용액의 농도에 따라 4.7~5.1 eV까지 증 가하며, 면 저항은 합성하는 방법에 따라 다르지만 도핑 후 150 Ω/sq.까지 낮아질 수 있음이 실험을 통 해서 증명되었다[9-11].

이와 비슷한 방법으로 1,1-dibenzyl-4,4-bipyridinium dichloride(바이올로젠)를 이용하여 그래핀을 도핑한 연구결과가 있다. 이러한 바이올로젠 도핑에서 XV²⁺

가 XV⁰로 안정화되는 반응이 깁스 자유 에너지가 양 의 값을 가지므로 자발적으로 이루어지지 않게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해서, 환원제인 나트륨 보 로하이드라이드(NaBH4)를 이용하여 XV⁰ 상태로 도 펀트를 준비하고 그래핀 위에 도포하면 불안정한 XV⁰ 에서 XV²⁺로 돌아가기 위해서 그래핀에 전자를 제공 하게 되어 그래핀을 n형으로 도핑시킨다. 바이올로젠 분자는 효과적으로 그래핀을 n형으로 도핑시키며, 또 한 어떠한 basal plane 반응을 일으키지 않는다. 또한 알칼리 금속 탄산화물 용액을 그래핀 표면에 도포하면 그래핀 위에 존재하는 산소를 포함한 작용기와 결합을 일으켜 그래핀의 전자를 빼앗아 n형 도핑을 일으키게 된다. 실제로 일함수는 4.2 eV에서 3.4~3.7 eV까지 감소하는 경향을 보였으며, 면 저항의 경우 최대 2,500 Ω/sq.까지 증가하는 경향을 보였다. 이외에도 그래핀 표면에 질산, 수소화 요오드와 같은 강산으로 증기를 쐬여주면 그래핀의 전도도가 급격하게 증가하게 된다.

또한 bis(trifluoromthanesulfonyl) amide(TFSA), poly(ethylene imine)(PEI) 등과 같은 물질을 이용 하여 그래핀의 전기적 특성을 변화시켜 일함수를 조

절할 수 있는 방법이 발표되기도 하였다[12-15].

3) 표면 전하 전달 도핑

그래핀 주요 도핑 방법 중에서 마지막 방법은 표 면 전하 전달을 통한 그래핀 도핑방법이다. 이 방법 을 사용하면 효과적으로 그래핀의 밴드갭을 조절할 수 있다. 많은 연구자들이 탄소에 비해서 높거나 낮 은 전기 음성도를 가지는 화학물질을 이용하여 실온 에서 그래핀의전기적 특성을 향상시키기 위해서 도 핑하는 방법을 시도하였다. 그래핀 표면에 전자가 부족하거나 풍부한 물질이 존재하면 그래핀으로부 터 전자를 빼앗거나 전달함으로써 그래핀의 전자상 태가 p형 또는 n형 도핑이 일어날 수 있다. 전하 전 달은 그래핀의 페르미 준위와 그래핀 표면에 흡착된 물질의 HOMO highest occupied molecular orbital (HOMO)과 lowest unoccupied molecular orbital (LUMO)의 준위에 따라서 일어나게 된다. 만약 그래 핀 위의 흡착물질의 HOMO 준위가 그래핀 페르미 준위보다 높게 존재하게 되면 흡착물질은 그래핀에 전자를 전달하는 도너가 된다. 이와 반대로, 흡착물질 의 LUMO가 그래핀 페르미 준위보다 높게 존재하게 되면 전하 전달이 그래핀 층으로부터 흡착물질로 일 어나서 흡착물질은 억셉터의 역할을 하게 된다.

그래핀에서 표면 전하를 잘 일으키는 흡착물질로 잘 알려진 것은 tetrafluorotetracyanoquinodimethane (F4-TCNQ)와 fluoropolymer(CYTOP)이 대표적이 그림 5. 알칼리 금속 탄산화염을 이용하여 그래핀 위에 도포하게 되면 산소 작용기와의 결합을 통해서 상대적으 로 일함수가 낮은 알칼리 금속의 영향으로 인해 일함수 가 감소하는 경향을 보인다[15].

다. F4-TCNQ은 매우 강력한 전자 어셉터로 이를 이 용한 그래핀 도핑에서 일함수가 5.24 eV까지 증가하 는 결과가 최근 발표되었다. F4-TCNQ에서 그래핀으 로의 전하 전달은 F4-TCNQ의 구조의 한 부분인 cyano 작용기에 의해서 일어나게 된다. 이 작용기는 전자가 원천적으로 모자란 상태의 구조로서 그래핀으 로부터 전자를 강하게 당기는 역할을 한다. 이로 인해 서 그래핀은 전자를 F4-TCNQ에 많이 제공하게 되 고 이로 인해서 depletion 층이 형성되어 p형 도핑을 일으키게 된다. CYTOP과 같은 경우는 그래핀을 전 사하는 과정에서 주로 사용되는 PMMA를 대체하여 전사와 동시에 그래핀 도핑을 진행시킬 수 있다는 점 에서 매우 큰 장점을 가진다. 이 고분자 지지층은 불 소화합물의 일종으로서 그 구조에서 그래핀의 탄소와 쉽게 결합할 수 있어 약간의 열처리를 통해서 그래핀 과의 결합을 일으켜 불소의 높은 전기음성도로 인해 서 그래핀의 p형 도핑을 일으킬 수 있다. 그러나 최근 발표된 논문에 따르면, CYTOP이 절연성을 띄는 물 질이므로 CYTOP과 그래핀 사이에서 전하이동이 자 연적으로 일어날 수 없으나, 정전기적 인력의 차이로 인해서 그래핀과 CYTOP사이의 쌍극자 모멘트를 일 으켜 그래핀의 p형 도핑을 일으킨다고 보고되었다

[16, 17].

그래핀 위에 이렇게 전하 전달을 일으킬 수 있는 분 자를 도포시키거나 증착을 통해서 구조를 형성하면 그래핀을 이루는 탄소와의 전기음성도 차이로 인해서 전하 전달이 자발적으로 일어날 수 있어 그래핀을 도 핑하는 데에 효과적인 방법으로 연구되고 있다.

도핑된 그래핀의 전자소자로의 응용 1) 유기 태양전지

유기 태양전지는 가볍고 플렉시블하며 가격이 싸고 용액 공정이 가능하다는 점에서 실리콘 기반의 태양 전지로 실현 불가능한 기계적인 단점을 극복할 수 있 어 최근 연구가 활발하게 진행되고 있다. 유기 태양전 그림 6. TCNQ 층에 의해서 그래핀과 TCNQ층 간의 π-π stacking interaction이 일어나서 TCNQ층에서 C-N기 모자란 전자를 채우기 위해서 그래핀으로부터 전자를 빼앗게 되 고 그래핀은 상대적으로 전자가 모자란 상태가 되어 p형 도핑이 일어나게 된다[16].

그림 7. (a) CYTOP의 화학적 구조식, (b) CYTOP를 고분자 지지층으로 사용한 그래핀 전사방법, (c) 라만분석결과, G와 2D 픽이 더 높은 파장대로 이동(p형 도핑이 일어남, (d) AFM을 이용한 두께 측정 결과(1 nm 안팎의 두께를 가짐), X선 광전 자분광법을 통한 그래핀 표면의 불소 원소와의 결합을 보여줌[17].

지는 고분자 물질의 광전효과를 이용한 전자소자로서 고분자의 다양한 구조로 인해서 그 종류와 방법이 다양 하다는 장점이 있다. 그러나 이러한 고분자 물질을 합 성하는 데에는 한계가 있으며, 투명전극으로 사용되는 ITO는 기계적인 충격에 매우 약하며 그 주성분인 인듐 의 가격이 꾸준히 상승 중이다. 또한 ITO는 poly(3,4-

ethylenedioxythiophene): poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS)와 같은 현재의 기술단계에서 주로 사용되는 정공수송층의 높은 산도로 인한 피해로 인 해서 소자의 안정성이 심각하게 훼손된다. 이러한 관 점에서, CVD로 합성된 대면적의 그래핀은 플렉시블 투명전극 시장에서 그래핀을 대체할 물질로 각광받고 그림 8. TCNQ 도핑한 그래핀 투명전극을 이용한 유기 태양전지에 대한 결과. (a) 4가지 각기 다른 구조의 TCNQ 도핑된 그래핀 투명전극, (b) 도핑된 그래핀 투명전극의 구조와 에너지 다이어그램, 소자 결과[18].

그림 9. UV-ozone 처리된 그래핀을 이용하여 정공수송층으로 사용한 유기 태양전지 모식도, (a) 구리 호일을 이용한 그래 핀 합성 메커니즘, (b) ITO전극과 UV-ozone 처리된 그래핀을 이용한 소자 제작 방법, (c) (b)의 구조를 이용한 소자결과, (d) 소자 작동 에너지 준위에 대한 분석[21].

있지만, 상대적으로 낮은 일함수와 높은 면 저항 수치 로 인해서 소자의 효율이 ITO의 최대 80 %에 불과한 실정이다.

p형 도핑된 그래핀은 일함수가 향상되고 면 저항이 낮아지는 효과로 인해서 유기 태양전지의 투명전극에 서 적용되는 사례가 최근 발표되고 있다. TCNQ와 그 래핀의 적층구조를 기반으로 poly(3-hexylthiophene) : phenyl-C61-butyric acid methyl ester (P3HT:

PCBM)의 광전효과를 이용한 유기 태양전지 소자는 최대 2.58 %의 효율을 보였으며, ITO의 약 80 %에 이르는 수치이다. 또한 질산, SOCl2증기로 표면을 처 리한 그래핀의 경우 동일한 소자구조에서 2.6 %에 이 르는 최대효율을 달성하였다[18, 19].

그래핀을 투명전극이 아닌 정공 수송층으로 사용한 사례는 최근 연구 결과를 통해서 살펴볼 수 있다. 많 은 연구자들이 그래핀 산화물과 환원된 그래핀 산화 물을 정공 수송층으로 사용하고 ITO 전극을 기반으 로 한 유기 태양전지 소자를 개발하였다. 또한 작용기 에 알칼리 금속인 세슘을 결합시켜 LiF를 대체하는 실험 또한 진행하여 상당히 높은 소자 효율을 얻을 수 있었다. 이러한 관점에서, CVD로 합성된 그래핀을 UV-O3처리를 통해서 그래핀 표면에 인공적으로 산 소 작용기를 결합시킴으로써 그래핀의 소수성문제를 해결하는 동시에 UV-O3 처리시간을 조절하여 일함 수를 4.85 eV까지 상승시키는 결과가 발표되었다.

UV-O3처리된 그래핀을 정공 수송층으로, ITO 기반 의 전극을 사용한 유기 태양전지 소자를 제작하면 PEDOT:PSS와 ITO간의 부식문제를 해결할 수 있 고 에너지 준위 차이에 의한 정공 수송에 대한 영향도 감소시킬 수 있다. 이렇게 제작된 소자는 3.0 %라는 높은 소자 효율을 보이며, 90 % 습도 상황에서 PEDOT:PSS를 사용한 소자보다 12시간이나 더 오 래 작동하는 결과를 살펴볼 수 있었다[20, 21].

2) 발광 다이오드

갈륨 나이트라이드(GaN) 기반의 높은 출력의 고 효율 발광 다이오드의 개발은 미래의 조명에 중대한 영향을 끼친다. 고효율의 발광 다이오드 소자를 제작 하기 위해서는 p형 GaN과 전극과의 접촉저항이 낮아 야 한다. 이러한 이유로, Ni/Au, ITO와 같은 구조는 높은 투과도와 낮은 접촉저항으로 인해서 고효율의 발광 다이오드 전극으로 주로 사용되어 왔다. 그러나 이러한 구조에서도 특정한 이유로 인해서 효율에 대 한 한계점이 존재한다. Ni/Au 전극을 사용했을 경우, p형 GaN으로부터 NiO가 떨어져 나와서 비결정질의 Ni-Ga-O의 삼성분계를 형성하여 소자 전체의 지속 성에 영향을 미치게 된다. 게다가 ITO를 스퍼터링을 통해 직접적으로 증착하게 되면 p형 GaN과 약한 오 믹 컨택을 형성하게 된다.

최근 연구에서는 일함수를 향상시킨 그래핀을

그림 10. (a) 그래핀을 전류 전달 층으로 사용한 LED를 제작하는 서로 다른 두 가지방법에 대한 모식도, (b) 도핑된 그래 핀과 금속/그래핀 층을 사용한 그래핀, 그렇지 않은 그래핀에서의 LED발광 특성에 대한 결과[23].

InGaN/GaN을 양자우물로 사용한 푸른 빛의 발광 다이오드에서 전류전달 층으로 사용하였다. 그래핀 전극은 층층히 쌓아올려 4층의 그래핀을 사용하였고 그래핀 층과 층 사이에는 얇은 나노 두께의 금 층을 함께 쌓아올려 높은 온도에서 열처리를 하여 고효율 의 발광 다이오드 소자를 얻었다. 또한 GaN에 전사된 그래핀에 금 염화물 처리를 통해서 그래핀 도핑을 실

시하여 이렇게 도핑된 그래핀을 전류전달 층으로 사 용된 보고도 있다. 이 결과에서는 그래핀을 사용한 경 우 소자 20 mA 전류에서의 작동 전압이 5.6 V, ITO 를 사용한 경우 3.8 V였다. 소자 적용에 사용한 그래 핀의 면 저항이 ITO보다 상대적으로 높았기 때문에 소자효율이 감소한 것으로 보인다[22, 23].

3) 액정 디스플레이

또 다른 전자소자의 응용으로는 액정 디스플레이에 서의 전극과 액정 표면 정렬 향상제로 사용될 수 있 다.[24] 이방성을 가지는 기판의 표면은 액정 디스플 레이에서 액정 분자를 정렬하는데 매우 중요한 역할 을 한다. 이전 연구결과에서 액정 분자를 수직적으로 균일하게 정렬하기 위해서, 산화실리콘 기판이나 산 소로 도핑된 실리콘 카바이드와 같은 기판에 약한 이 온 빔을 조사하여 성능을 향상시킨 바 있다. 그러나 실리콘 기반의 기판은 투과도가 70 %보다 낮아서 수 많은 이점에도 불구하고 실제로의 응용이 어려운 실 정이다. 게다가 대부분의 무기물의 정렬제는 절연체 로서 ITO와 같은 전극물질이 항상 필요하다.

그래핀은 높은 투과도와 전도성을 지니는 물질로 ITO를 대체할 수 있는 물질로 생각된다. 무기물 필름 의 원자배치에 대한 랜덤 네트워크 모델에 따르면, 정 렬되는 정도는 이온 빔 노출에 대한 정도로 나타나고 이온빔의 조사각도가 필름과 평형한 경우 더 잘 일어 난다. 이러한 관점에서, 복층의 그래핀은 평탄하지는

그림 12. 이온빔 처리된 그래핀과 ITO를 투명전극으로 사용했을 때의 소자 특성에 대한 결과. 이온빔의 세기를 달리 하 여도 소자 특성에는 거의 변화가 없으며, 가해지는 전압에 따라 각각의 경우 거의 비슷한 소자 효율을 나타내었다[25].

그림 11. 이온 빔 처리된 그래핀을 액정 정렬 향상제 및 투명전극으로 사용한 결과. (a) 실험에 사용된 액정 소자 구조에 대한 모식도, (b) 이온빔 조사하지 않은 그래핀, (c) 이온 빔이 조사된 그래핀에서의 액정 정렬에 대한 광학 현미경 이미지[25].

않지만 약간의 구불거리는 평면을 가지고 있으며 이 러한 특성은 이온 빔을 통해서 이방성의 특성을 가지 기 쉽다는 장점이 있다. 게다가 낮은 에너지의 이온 빔 처리는 그래핀 위에 존재하는 오염물질과 전하 전 달을 방해하는 요소를 제거할 수 있어 그래핀의 특성 이 향상된다. 이러한 그래핀을 ITO를 대체하여 이방 성의 특성을 가지는 액정 정렬 향상제와 투명전극으 로 동시에 사용할 수 있다는 실험결과가 발표되었다 [25]. 이 연구결과에서는 그래핀 고유의 격자 구조를 훼손시키지 않으면서 이온 빔 에너지와 시간을 조절 하여 그래핀의 특성이 향상되고 이를 액정 정렬제와 투명전극으로 동시에 사용하여 ITO를 사용한 소자와 거의 비슷한 특성을 나타내었다.

결론

최근 우리 주변에서 쉽게 접할 수 있는 스마트폰, 스마트 TV와 같은 전자가기의 플렉시블화 및 고성능 화에 대한 요구가 급증되고 있다. 또한, 사용자의 편의 성에 대한 요구에 따라 보다 쉽고 직관적으로 정보를 전달하는 형태의 전자소자에 대한 개발이 요구되고 있다. 이에 따라 유기 반도체 나노 재료와 이를 이용 한 플렉시블 디스플레이에 대한 연구가 매우 활발히 진행되고 있다. 기존 가장 많은 분야에서 투명전극으 로 사용되었던 ITO는 기계적인 충격에 약하다는 단 점이 있어 플렉시블 디스플레이를 구현하는데 적합하 지 않고, 얇은 금속 그리드 형태의 투명전극은 금속의 반사도로 인해서 디스플레이 구현 시 화질이 좋지 않 아서 사용하는데 문제가 되고 있다. 이러한 배경을 기 반으로, 현재 그래핀을 투명전극으로 사용하고자 하 는 연구가 활발하게 진행되고 있으며 약점인 일함수 와 면 저항을 개선시키는 도핑에 대한 연구가 그 중에 서도 핵심적으로 진행되고 있다. 이러한 그래핀 도핑 방법에 대한 연구는 그래핀을 이용한 센서, 메모리, 배 터리, 발광다이오드, 유기 발광다이오드 등 다양한 광 전자소자로의 응용이 가능하다는 것을 보여주었다.

이러한 다양한 분야로의 응용 연구를 위해서는 그래

핀의 면 저항을 ITO와 비슷한 수준까지 떨어뜨릴 수 있는 기술이 요구되며, 면 저항이외에도 공기 중에서 변하지 않는 신뢰도를 얻을 수 있는 기술이 개발되어 야 할 것으로 예상된다. 또한 그래핀과 전자소자에서 중요한 역할을 하는 전자전달, 정공수송 등과 같은 기 능적 역할을 하는 물질과의 계면에 대한 충분한 이해 가 필요하며, 이를 해결하기 위해서 신소재공학, 기계 공학, 전자공학 등의 여러 분야에 대한 융합연구가 필 요할 것으로 예상된다. 최종적으로는 그래핀 도핑에 대한 연구는 차세대 플렉서블, 스트레쳐블 광기반 전 자소자의 구현을 위한 핵심 기술로 이용될 수 있을 것 이다.

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