[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 그래핀(Graphene)은 탄소 원자가 육각형 벌집모양으로 연결된 원자 한 층의 물질이다. 엄청나게 얇으면서 물리·화학적 안정성이 높고 전기전도도 등이 뛰어난 ‘꿈의 신소재’다. 이 물질을 수 나노미터(㎚, 1㎚는 10억 분의 1m) 크기로 다시 작게 만들면 초미세 반도체 입자 ‘그래핀 양자점’이 된다.

UNIST(울산과학기술원·총장 정무영) 자연과학부 신현석 교수팀은 그래핀 양자점을 기존보다 효과적으로 제작할 기술을 개발했다고 16일 밝혔다. 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)’ 온라인판에 이날 게재됐다.

이번 연구는 차세대 전자기기에 쓰일 소자인 ‘단전자 트랜지스터’ 발전에 기여할 전망이다. 트랜지스터는 전자 신호를 증폭시키거나 바꾸는(switching)하는 반도체 집적회로의 한 구성요소다. 현재 트랜지스터 하나를 작동하는 데 10만 개의 전자 흐름을 제어하지만, 단전자 트랜지스터는 전자 1개만 제어하므로 소비전력과 발열이 적어 미래 전자기기용으로 연구가 활발하다.

연구진은 ‘육방정계 질화붕소(h-BN) 단일층 내부에 그래핀 양자점을 규칙적으로 배열한 2차원 평면 복합체’를 제조하는 기술을 개발했다. 이 물질로 전자 하나만 제어해 신호를 전달하는 장치인 ‘수직 터널링 단전자 트랜지스터’를 구현하는 데도 성공했다.

육방정계 질화붕소는 질소와 붕소가 육각형 벌집보양으로 결합된 원자 한층의 물질로, ‘백색 그래핀’으로도 불린다. 그래핀과 달리 전류가 흐르지 않는 절연 특성을 지니고 있어 2차원 부도체로의 응용이 가능하다.

연구진에 따르면 그래핀 양자점은 전류를 흘려주거나 빛을 쪼여주면 발광하는 특성이 있어 차세대 디스플레이나 바이오 이미징, 센서 등의 소재로 각광받고 있다. 적은 전기를 쓰면서 빠르게 정보를 처리할 수 있는 차세대 양자정보통신 기술에도 적용될 수 있다.

지금까지 그래핀 양자점은 흑연 덩어리를 물리적인 방법 혹은 화학반응에 의해 얇게 벗겨내는 기술(화학적 박리법)로 만들어왔다. 이 경우 원하는 크기의 그래핀 양자점을 얻기 힘들고, 가장자리에 각종 불순물이 붙어 전자의 흐름을 방해했다. 결국 그래핀 양자점이 본연의 전기적, 광학적 특성을 나타내기 어려워지는 것이다.

(그림) 육방정계 질화붕소 단일층 내부에 그래핀 양자점이 형성된 새로운 2차원 평면 복합제 제조 과정: 1) 블록 공중합체(block copolymer)와 H₂PtCl₆(백금 나노입자 형성을 위한 초기 물질)를 섞어 실리카 기판 위에 바른 후 열처리. 2) 육방정계 질화붕소 단일층을 백금 나노 입자가 배열된 실리카 기판 위로 전사. 3) 백금 나노 입자 위 질화붕소만 선택적으로 그래핀으로 치환해 그래핀 양자점 제조. 4) 질화붕소 내부에 형성된 그래핀 양자점의 2차원 평면 복합 구조체. (백금 제거 후) 2019.01.16. [자료=UNIST]

연구진은 그래핀 양자점의 크기를 원하는 대로 조절하면서 가장자리의 불순물을 없애는 새로운 방법을 고안했다. 백금 나노 입자가 배열된 실리카(SiO₂) 기판 위에 육방정계 질화붕소를 전사해 메탄(CH₄) 기체 속에서 열처리한 것이다.

백금 나노 입자는 블록 공중합체의 자기조립 성질 덕분에 규칙적으로 배열되며, 백금(Pt) 위에 올라간 육방정계 질화붕소는 그래핀과 자리를 뒤바꾼다. 결과적으로 백금 입자의 크기에 따라 그래핀 양자점의 크기가 결정되며, 원자 한 층의 육방정계 질화붕소 내부에 그래핀 양자점이 규칙적으로 배열된 소재가 만들어지는 것이다.

신현석 교수는 “새 기술로 제작한 그래핀 양자점은 쿨롱 차단(Coulomb Blockade) 효과로 전자를 하나씩만 제어할 수 있다”며 “그래핀과 육방정계 질화붕소, 그래핀 양자점을 층층이 쌓은 ‘수직 터널링 단전자 트랜지스터’를 처음 구현한 사례”라고 설명했다.

이번 연구는 서울대 화학과 손병혁·영국 맨체스터대 물리학과 콘스탄틴 노보셀로브 교수팀과 공동으로 진행했다.

kimys@newspim.com