초미세 그래핀 나노리본 세계 최초 개발

표준연 황찬용 박사팀·헝가리 연구진 공동 성과

아주경제 김봉철 기자 = 국내외 공동 연구팀이 수 나노미터(㎚, 10억분의 1ｍ) 크기의 그래핀 나노리본을 개발하는데 성공했다.

한국표준과학연구원은 나노측정센터 황찬용 박사팀과 헝가리 학술원 소속 자연과학연구소 레벤떼 타파쵸(Levente Tapaszto) 박사팀이 폭이 2∼10 나노미터에 이르는 초미세 그래핀 나노리본을 세계 최초로 개발했다고 30일 밝혔다.

국가과학기술연구회가 추진하는 ‘한-헝가리 공동연구실 사업’의 지원을 받은 이번 연구 결과는 이날 세계적 권위의 과학 학술지 ‘네이처’에 실렸다.

탄소 원자 한 층으로 된 그래핀은 전도성, 투과성, 유연성이 뛰어나 태양전지나 휘는 디스플레이에 활용할 수 있어 ‘꿈의 신소재’라 불린다.

하지만 그래핀은 그동안 밴드갭(band gap·전자가 존재하는 에너지 레벨과 전자가 존재하지 않는 에너지 레벨 사이의 차이)이 없어 밴드갭을 활용해야 하는 반도체 소자로 사용하기 어렵다는 문제가 있다.

그래핀을 폭이 15나노미터 이하의 얇은 ‘나노리본’ 형태로 만들면 반도체 소자로 상용화할 수 있지만, 기존 기술로는 제작이 어려웠다.

그래핀 나노리본은 테두리 모양에 따라 ‘안락의자형’과 ‘지그재그형’으로 나뉘는데, 그 크기와 모양에 따라 반도체로서의 특징이 달라지기 때문에 원하는 모양대로 정밀하게 자르는 기술이 중요하다.

기존에는 에칭(화학적 식각)이나 용액을 이용한 합성법 등이 사용됐으나 에칭은 20나노미터 이하의 나노리본을 제작할 수 없고, 합성은 테두리 모양을 자유자재로 만들기 어렵다는 한계가 있었다.

공동연구팀은 주사터널링 식각 기술(STL·물질의 표면과 탐침 사이에 전압을 가해 전류를 측정하는 주사터널링현미경을 응용한 방식)을 이용해 그래핀 나노리본의 크기와 테두리 모양을 원하는 대로 제어하는데 성공했다.

미세 탐침을 이용해 그래핀에 전압을 가하면 그래핀의 탄소가 물과 결합해 분해되는 방식이다.

이렇게 만들어진 그래핀 나노리본은 폭이 늘어나고 줄어듦에 따라 반도체 또는 금속으로 성질이 변하는 ‘상전이’가 자유자재로 나타나는 등 반도체 소자로서의 특성이 뛰어나다고 연구팀은 설명했다.

황찬용 박사는 “그래핀의 단점인 전류 제어 문제를 해결함으로써 그래핀을 반도체 소자로 활용할 수 있는 가능성을 높였다”면서 “기존 나노리본보다 초미세 크기로 제작할 수 있어 반도체 소자의 소형화에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.