초소형 그래핀 전자소자 개발 난제 규명

로렌스버클리 연구소 연수 김근수 박사, 두 겹 그래핀 사이 미세 비틀림 방해 발견

김근수 박사.

아주경제 이한선 기자= 한국연구재단은 미국 로렌스버클리 연구소 김근수(30) 박사가 제1저자로 참여한 연구에서 초소형 그래핀 전자소자 개발을 가로막았던 기술적 난제의 원인을 찾아냈다고 7일 밝혔다.

연구 결과는 향후 원자 한 층 두께 그래핀을 응용한 초소형 전자소자 상용화에 기여할 것으로 기대된다.

이번 연구는 교육부와 한국연구재단이 추진하는 이공분야 학문후속세대양성사업과 미연방에너지부 등의 지원으로 수행돼 네이처 머티리얼즈지 지난달 28일자 온라인판에 게재됐다.

그래핀은 철보다 단단하면서도 쉽게 휘어질 수 있고 구리보다전기전도성이 뛰어나 주목받고 있다.

원자 한 층에 불과한 그래핀을 전자소자로 활용할 경우 소형화할 수 있다는 장점이 있지만 준도체적 성질을 띠어 전기전도성이 매우 우수하나 필요할 때 전기를 차단하는 것이 어려운 것이 상용화의 한계였다.

이를 극복하기 위해 평소에는 전기가 잘 흐르는 도체이나 전기장을 걸어주면 전기가 잘 흐르지 않는 부도체가 되는 두겹층 그래핀이 주목받았지만 강력한 전기장을 가해도 전기가 차단되지 않고 일부 흐르는 현상이 문제였다.

연구팀은 두겹층 그래핀의 층간에 미세한 비틀림이 존재하며 이 비틀림이 그래핀의 전기전도성 제어를 방해하는 원인이라는 것을 규명했다.

비틀린 부분이 전기장에도 불구하고 도체로 남아 그래핀이 완전한 부도체로 변하는 것을 막는다는 것이다.

이러한 비틀림을 제거하거나 최소화하는 연구로 이어질 경우 극소형 그래핀 전자소자 개발의 디딤돌이 될 것으로 기대된다.

겹치는 그래핀간 탄소 원자 몇 개의 어긋남으로 생길 수 있는 비틀림은 각도로 0.1도에 불과해 직접 현미경으로 감지하는 것이 어렵다.

연구팀은 원자 십여 개 수준에 불과한 비틀림이 결정의 대칭성을 깨뜨려 나타나는 전자밴드구조는 변화가 커 포착할 수 있다는 점을 이용했다.

강력한 빛을 그래핀에 쬐어 튀어나오는 전자의 물리정보를 측정한 것이다.

전자밴드구조를 찍어내는 데는 미국 로렌스버클리연구소의 방사광가속기설비를 이용했다.

김 박사는 “이번 연구로 지난 수년간 그래핀 전자소자의 상용화를 방해하던 핵심난제의 원인을 규명하기에 이르렀고 현재는 비틀림을 제거하거나 소형화하여 극복하는 기술을 연구하고 있다”며 “이는 궁극적으로 더 작고 더 빠른 그래핀 전자소자 개발에 기여할 것”이라고 밝혔다.

이론상 결함없는 그래핀(왼쪽)과 실제 존재하는 그래핀의 통상적인 모습.