'꿈의 신소재' 그래핀, 반도체 소자로 사용할 길 열렸다

황찬용 표준연 박사 등 국제연구팀, 전류제어 가능한 '그래핀 나노리본' 제작
"반도체 활용 가능성 높여"..연구성과 '네이처'에 게재

[이데일리 이승현 기자] 국내외 공동 연구진이 '꿈의 신소재'로 불리는 그래핀을 세계 최초로 나노미터(1nm=10억분의 1m) 규모의 리본형태로 구현해 반도체 소자로 사용할 수 있는 길을 열었다.

황찬용 한국표준과학연구원 책임연구원

한국표준과학연구원은 나노측정센터 황찬용 책임연구원 팀과 헝가리 학술원 자연과학연구소 레벤떼 타파쵸 박사팀이 실온에서 테두리 모양을 자유롭게 제어할 수 있는 폭 2~10 nm의 그래핀 나노리본을 제작했다고 30일 밝혔다. 연구결과는 국제 과학학술지인 '네이처'(Nature)에 이날자로 발표됐다.

나노미터 크기의 리본형태 그래핀은 이론적으로 전류제어가 가능해 반도체 특성을 지닐 수 있다. 그래핀이 전류 제어가 불가능해 반도체 소자로는 쓰기 어려운 한계를 극복한 것이다.

그래핀 나노리본은 그래핀을 작은 크기로 잘라 밴드갭(에너지갭)을 형성시켜 반도체 특성을 갖게 한 것이다. 이 때 나노리본은 크기와 모양에 따라 금속 또는 반도체로서 특징이 매우 달라지므로 원하는 형상으로 정밀하게 자르는 것이 매우 중요하다.

연구팀은 주사터널링 식각(STL)이란 기술을 이용, 그래핀 나노리본의 테두리 모양을 자유롭게 자르는 데 성공했다. 이 기술은 미세탐침을 이용해 그래핀에 전압을 가하면 그래핀의 탄소가 주변의 물과 반응하여 이산화탄소로 분해되는 방식이다.

연구팀은 아울러 초미세(나노크기) 그래핀 나노리본이 폭의 증감에 따라 반도체 혹은 금속으로 변하는 '상전이 현상'을 발견해 그래핀의 상용화 가능성도 크게 높였다.

황 연구원은 "그래핀의 단점인 전류제어 문제를 해결해 그래핀이 반도체 소자로 활용될 수 있는 가능성을 높였고 또한 스핀소재로 이용이 가능한 점을 제시했다"며 "다른 방법으로 제작된 나노리본 보다 더 작은 크기로 제작할 수 있기 때문에 반도체 소자의 소형화가 가능하다"고 말했다.

연구팀은 이번 연구결과가 국가과학기술연구회이 지원하는 '한-헝가리 공동연구실사업'을 통해 얻은 결실이라고 소개했다.

그래핀의 테두리 방향을 제어하면서 주사터널링 식각(STL) 방법을 이용해 리본을 제작하고 이미징한 모습. 테두리 모양에 따라 왼쪽 사진은 '안락의자'(Armchair)형, 오른쪽 사진은 '지그재그'(Zigzag)형. 표준과학연구원 제공

이승현 (leesh@edaily.co.kr)