'나노화학펜'으로 그래핀에 나노회로 그린다

국내연구진, 전기적 나노화학펜 방법 개발

e-뉴스팀 기자 과학 송고시간 2014/06/09 00:00:00 최종 업데이트 2014/06/09 00:00:00

[연합경제]국내 연구진이 그래핀 위에 화학적 성질이 서로 다른 나노회로를 그릴 수 있는 전기적 나노 화학펜 방법을 개발했다. 앞으로 복합 센서 같은 다양한 기능을 갖거나, 그래핀 기반 소재만으로 구성된 전자소자 개발에 기여할 것으로 전망된다.

건국대학교 물리학부 박배호 교수와 변익수 박사 연구팀, 한국표준과학연구원 김원동 박사, 고등과학원 손영우 교수 연구팀이 주도한 이번 연구결과는 네이처 자매지 NPG 아시아 머티리얼즈지 5월 23일자에 게재됐다.

기존에는 복잡한 화학 처리 방법으로 산화 또는 수소화하는 공정이 까다롭고, 만들어진 그래핀의 특성을 세밀히 조절하기 어렵다는 한계가 있었다.

건국대 연구팀은 공기 중에서 전압이 걸린 원자간힘 현미경의 나노탐침을 이용해 그래핀의 원하는 부분만 선택적으로 산화 또는 수소화시키는 방법을 개발했다. 원자간힘 현미경은 수십 나노미터 크기의 마이크로 탐침 끝의 원자들과 시료 표면 원자들 사이에 작용하는 반발력을 이용해 아주 미세한 물질의 표면을 영상화해 내는 현미경이다.

나노탐침을 이용한 방법은 그래핀 표면의 산화 혹은 수소화 정도가 기존 화학적 방식보다 높은 것으로 나타났다.

한국표준과학연구원 연구팀이 X선을 쬐어 그래핀에서 방출되어 나오는 전자들의 화학적 상태를 분석한 결과, 탐침에 가하는 전압의 세기에 따라 그래핀의 화학적 상태도 정밀하게 조절할 수 있음을 알아냈다.

박배호 교수는 “이 결과를 응용해 향후 배열된 나노탐침으로 전기적 특성을 동시에 조절함으로써 그래핀 층의 각 부분의 산화상태를 서로 다르게 만들면 복합기능을 갖는 그래핀 기반 나노 집적 소자 형성 등을 기대할 수 있다”고 설명했다.

한편, 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업 지원으로 수행됐다.

◇ 나노 화학펜 방법

<나노미터 수준의 그래핀 기능화 방법 모식도>


연구팀은 원자간힘 현미경의 나노 탐침(Conductive Tip) 에 전압(V라고 표기)을 조절하는 방법으로 나노미터 수준의 그래핀 기능화 방법을 개발했다.

이를 이용해 그래핀과 결합하는 산소(붉은색 원, Oxygen) 혹은 수소(파란색 원, Hydrogen)의 양을 조절할 수 있을 뿐 아니라 산소의 경우 탄소 원자와의 화학결합의 종류까지 조절할 수 있다. 화학결합의 종류에 따라 전기전도도, 밴드갭, 화학적 결합 능력 등이 서로 다른 기능화 그래핀(파란색 패널, 녹색 패널, 노란색 패널, 보라색 패널)이 배열된 구조를 그래핀(pristine graphene) 위에 구현할 수 있다.

◇ 연구팀, 연구 결과 문답

이번 성과의 특징은? 기존 그래핀 기능화 방법과 달리 그래핀 표면의 원하는 위치에 나노미터 크기로 선택적 작용기 흡착이 가능한 방법을 개발했다.

어디에 쓸 수 있나? 기능화 그래핀 기반 다기능 나노 집적 소자구현에 사용될 수 있다.

실용화까지 필요한 시간은? 기초 연구 결과이므로 실용화까지는 많은 과제가 해결되어야 하며 약 5년 이상 시간이 소요될 것으로 보인다.

실용화를 위한 과제는? 여러 개의 AFM tip으로 동시에 그래핀을 산화·수소화해서 대량생산할 수 있는 기술을 개발하는 것이 실용화를 위해 가장 시급하게 해결해야 할 과제이다.

연구를 시작한 계기는? 그래핀 표면을 원자단위로 조작·제어함으로써 이를 기반으로 고품위 나노 전자소자를 개발하는 것을 목표로 연구를 시작했다.

이루고 싶은 목표는? 물리학을 기반으로 특이한 물성을 갖는 신소재를 개발하고 나아가 새로운 개념의 고성능 미래 소자를 개발해 대한민국의 과학기술과 경제 발전에 기여하고 싶다.

◇ 그래핀의 정체는?

꿈의 신소재로 불리는 그래핀은 차세대 신소재로 각광을 받고 있다. 그 이유는 휘어져도 쉽게 원상태로 복구되는 그래핀의 성질을 이용해 입는 컴퓨터(웨어러블 컴퓨터), 초고속 반도체 등 차세대 산업에 다양하게 활용할 수 있기 때문이다.

그래핀의 구조를 들여다보면 탄소 원자가 벌집 모양으로 연결되어 있다. 또 탄소 원자 하나는 이웃한 탄소와 전자 한 쌍 반을 공유해 결합하는 형태를 띤다. 한 쌍의 전자가 탄소와 탄소 사이를 탄탄하게 지탱하는 동안 한 쌍 반 중 남은 반의 전자들이 그래핀 내에서 쉽게 움직일 수 있다. 이와 같은 원리로 그래핀은 휘어져도 다시 제자리로 돌아오는 성질을 갖게 됐다.

상용화를 위해서는 그래핀의 활용도를 크게 증가시킬 수 있는 나노공정 기술의 개발이 필요한 실정이며, 현재, 이와 관련된 연구가 활발히 진행되고 있다.(연합경제=과학팀)

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