한국연구재단 "그래핀 전자소자 개발의 핵심난제 규명"

미국 로렌스버클리 연구소 김근수 박사

[아시아경제 김보경 기자] 미국에서 연수중인 한국인 연구자가 초소형 그래핀 전자소자 개발을 가로막았던 기술적 난제의 원인을 찾아냈다. 향후 원자 한 층 두께의 그래핀을 응용한 초소형 전자소자 상용화에 발판이 될 것으로 기대된다.

7일 한국연구재단(이사장 이승종)에 따르면 미국 로렌스버클리 연구소 김근수 박사(30)가 제1저자로 참여한 연구팀은 두겹층 그래핀의 층간에 미세한 비틀림이 존재하며, 이 비틀림이 그래핀의 전기전도성 제어를 방해하는 원인임을 규명했다.

그래핀은 철보다 단단하면서도 쉽게 휘어질 수 있는데다 구리보다 전기전도성이 뛰어나다. 원자 한 층에 불과한 그래핀을 전자소자로 활용할 경우 소형화할 수 있다는 장점이 있지만 준도체적 성질을 띠어 필요할 때 전기를 차단하기 매우 어려운 것이 상용화의 한계였다.

이를 극복하기 위해 이론상 평소에는 전기가 잘 흐르는 도체이나 전기장을 걸어주면 전기가 잘 흐르지 않는 부도체가 되는 그래핀 두 개를 겹친, 두겹층 그래핀이 주목받았다. 하지만 실제 소자에서는 두겹층 그래핀에 강력한 전기장을 가해도 전기가 완전히 차단되지 않고 일부 흐르는 현상이 문제였다.

연구팀에 따르면 마치 종이 두 장을 반듯하게 겹쳐도 모서리의 작은 어긋남을 피하기 힘든 것처럼 마이크로미터 크기의 종잇장 같은 두겹층 그래핀 간에도 원자수준의 비틀림이 존재한다는 설명이다. 나아가 이 비틀린 부분이 전기장에도 불구하고 도체로 남아 그래핀이 완전한 부도체로 변하는 것을 막는다는 것이다.

향후 이러한 비틀림을 제거하거나 최소화하는 연구로 이어질 경우 극소형 그래핀 전자소자 개발의 디딤돌이 될 것으로 기대된다. 어떤 물질을 전자소자에 적용하려면 신호에 따라 전기가 흐르고 멈추는 전기전도성 제어가 가능해야 하며, 그 비율이 높을수록 성능과 안정성이 좋아지기 때문이다.

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

이번 연구는 교육부(장관 서남수)와 한국연구재단이 추진하는 이공분야 학문후속세대양성사업과 미연방에너지부(DOE) 등의 지원으로 수행됐고, 네이처 머티리얼즈지 7월 28일자 온라인판에 게재됐다.