그래핀 나노리본…차세대 반도체 이끈다

국내 연구팀, 선택 층에만 스핀 전류 흐르는 그래핀 나노리본 개발

▲그래핀 나노구조.[사진제공=한국연구재단]

[아시아경제 정종오 기자] 국내 연구팀이 다층 그래핀 나노리본에서 선택한 층에만 스핀 전류가 흐르도록 유도하는 데 성공했다. 이번 성과로 그래핀 나노리본이 기존 반도체 회로의 집적도를 높일 수 있다. 차세대 메모리로 각광받고 있는 스핀트로닉스에 활용될 수 있을 것으로 보인다.

탄소가 육각형 형태로 결합한 2차원 물질을 그래핀이라 부르며 그래핀을 폭이 나노미터인 리본 형태로 잘라낸 것을 그래핀 나노리본이라 한다. 스핀은 전자가 가지는 성질 중 하나로 자석의 N극, S극을 만들어내는 능력이다.

스핀트로닉스는 D램보다 훨씬 많은 양의 정보를 저장할 수 있고 정보처리와 정보저장을 동시에 할 수 있어 차세대 메모리 반도체구현을 위한 핵심 기술로 부상 중이다. 이 기술은 전자의 스핀 성질을 이용해 한 쪽 방향의 스핀만을 갖는 전류를 생성하고 검출해 정보를 저장하고 삭제한다. 이를 구현하기 위해 반금속(half-metal) 물질을 활용한다. 현재 활용 가능한 반금속 물질들은 대부분 중금속으로 무겁고 환경과 생체에 해롭다는 문제가 있었다.

연구팀은 전기장을 가하면 그래핀 나노리본이 반금속이 될 수 있다는 이론에 근거해 다층 그래핀 구조에서도 반금속 성질을 발현시켜 스핀트로닉스에 활용화기 위한 연구에 착수했다. 슈뢰딩거 방정식을 이용해 2층 그래핀 나노리본의 물질 상태를 계산해 원하는 층만 반금속으로 만들어 스핀 전류가 흐르게 하는 데에 성공했다. 특정 층만 반금속화 하는 나노리본의 너비와 전기장의 세기를 수치로 밝혔다.

연구팀은 특정 외부전기장이 가해지면 한 층만 반금속이 되고 한 층은 절연상태를 유지하는 것을 확인했다. 외부 전기장의 방향을 바꾸면 반금속 층도 달라진다.

고려대 이철의 교수가 주도한 이번 연구는 과학 분야 학술지인 '사이언티픽 리포트(Scientific Reports)'에 5월 7일(논문명: Layer-selective half-metallicity in bilayer graphene nanoribbons)에 발표됐다.

이철의 교수는 "이번 연구결과는 구별 가능한 두 회로가 접해있는 가장 작은 형태라는 점에서 반도체 소자의 집적도를 극적으로 높일 것으로 예상된다"며 "앞으로 스핀트로닉스 분야에서 차세대 성장 동력의 초석이 될 것으로 기대한다"고 설명했다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr