고르고 균일한‘그래핀 양자점’ 배열 기술 개발

육방정계 질화붕소 단일층 내부에 그래핀 양자점이 형성된 2차원 평면 복합체 제조 과정/자료=UNIST

초미세 반도체 입자인 ‘그래핀 양자점’을 기존보다 효과적으로 제작할 수 있는 기술이 개발됐다.


울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 신현석 교수, 서울대 화학과 손병혁 교수, 영국 맨체스터대 물리학과 콘스탄틴 노보셀로브 교수팀으로 이뤄진 공동연구팀은 육방정계 질화붕소(h-BN) 단일층 내부에 그래핀 양자점을 규칙적으로 배열한 2차원 평면 복합체를 제조하는 기술을 개발했다고 16일 밝혔다. 또 이 물질로 전자 하나만 제어해 신호를 전달하는 장치인 ‘수직 터널링 단전자 트랜지스터’를 구현하는 데도 성공했다.

그래핀 양자점은 수 나노미터(㎚, 1㎚는 10억 분의 1m) 크기의 반도체 나노입자로, 전류를 흘려주거나 빛을 쪼여주면 발광하는 특성이 있다. 이 때문에 차세대 디스플레이나 바이오 이미징, 센서 소재로 각광받는다. 또 적은 전기를 쓰면서 빠르게 정보를 처리할 수 있는 차세대 양자정보통신 기술에 적용할 수 있다.

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

단전자 트랜지스터는 전자 신호를 증폭시키거나 바꾸는 반도체 집적회로의 구성요소다. 현재 트랜지스터 하나를 작동하는 데 10만 개의 전자 흐름을 제어하지만, 단전자 트랜지스터는 전자 1개만 제어하므로 소비전력과 발열이 적다. 미래 전자기기용으로 적합하다는 평가를 받는다.

왼쪽부터 홍석모·김광우·윤성인 석박통합과정 연구원과 신현석 교수/사진=UNIST

지금까지 그래핀 양자점은 흑연 덩어리를 물리적인 방법 혹은 화학반응에 의해 얇게 벗겨내는 기술로 만들어왔다. 하지만 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.


연구팀은 그래핀 양자점의 크기를 원하는 대로 조절하면서 가장자리의 불순물을 없애는 새로운 방법을 고안했다.

연구팀에 따르면 백금 나노 입자가 배열된 실리카 기판 위에 육방정계 질화붕소를 전사해 메탄 기체 속에서 열처리한다. 백금 나노 입자는 블록 공중합체의 자기조립 성질 덕분에 규칙적으로 배열되며, 백금 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 만들어진다.

연구팀은 “그래핀과 육방정계 질화붕소는 구조적으로 유사하기 때문에 질화붕소 내부에 그래핀 양자점을 제작하는 게 가능했다”며 “새로운 기술로 만든 그래핀 양자점의 가장자리는 질화붕소와 화학결합을 이루면서 잘 둘러싸여 불순물이 최소화됐다”고 설명했다.

연구진은 이 기술로 균일한 배열을 가진 그래핀 양자점을 제작했고, 7~13나노미터 크기로 조절할 수 있었다. 또 불순물을 최소화함으로써 전자를 안정적으로 이동시키는 단전자 트랜지스터도 구현했다.

이 단전자 트랜지스터는 2차원 물질을 층층이 쌓은 구조에서 전자가 이동하는 ‘터널링’ 현상을 이용한 ‘수직 터널링 단전자 트랜지스터’로 전자를 1개만 잡아두거나 보낼 수 있다. 그래핀 양자점 기반 단전자 트랜지스터의 가능성을 입증한 것이다.

신 교수는 “그래핀 양자점 기반 단전자 트랜지스터는 향후 빠른 정보처리와 저전력으로 작동하는 전자기기에 적용돼 기술적 진보를 가져올 것”이라고 말했다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 16일 온라인판에 게재됐다.