울산과학기술원(UNIST) 연구진이 초미세 반도체 입자인 '그래핀(Graphene·탄소원자가 육각형으로 결합한 구조의 신소재) 양자점'을 효과적으로 제작하는 기술을 개발했다.

17일 신현석 자연과학부 교수팀은 '육방정계 질화붕소(h-BN·질소와 붕소가 육각형 벌집 모양으로 결합한 물질) 단일층 내부에 그래핀 양자점을 규칙적으로 배열한 2차원 평면 복합체'를 제조하는 기술을 개발했다고 밝혔다.

▲ 그래핀 양자점을 효과적으로 제작하는 기술을 개발한 연구진. 왼쪽부터 홍석모·김광우·윤성인 연구원, 신현석 교수.

그래핀 양자점은 수 ㎚(나노미터·1㎚는 10억 분의 1ｍ) 크기 반도체 나노입자로, 전류를 흘려주거나 빛을 쪼여주면 발광하는 특성이 있어 차세대 디스플레이나 바이오 이미징, 센서 등 소재로 주목받고 있다. 또 적은 전기를 쓰면서 빠르게 정보를 처리할 수 있는 차세대 양자정보통신 기술에도 적용될 수 있다.

지금까지 그래핀 양자점은 흑연 덩어리를 물리적인 방법 또는 화학 반응으로 얇게 벗겨내는 기술로 만들었는데, 이런 경우 원하는 크기의 그래핀 양자점을 얻기 힘들고 가장자리에 각종 불순물이 붙어 전자 흐름을 방해하는 문제가 있었다.

결국 그래핀 양자점이 본연의 전기적·광학적 특성을 나타내기 어려워지는 것이다.

신 교수팀은 백금 나노입자가 배열된 실리카(SiO₂) 기판 위에 육방정계 질화붕소를 올린 뒤, 메탄(CH₄) 기체 속에서 열처리하는 방법으로 이 문제를 해결했다.

이를 통해 백금 입자 크기에 따라 그래핀 양자점 크기가 결정되고, 원자 한 층의 육방정계 질화붕소 내부에 그래핀 양자점이 규칙적으로 배열된 소재가 만들어지는 것이다.

연구진은 이 기술로 균일한 배열을 가진 그래핀 양자점을 제작했고, 크기를 7∼13㎚로 조절할 수 있었다. 또 불순물을 최소화해 전자를 안정적으로 이동시키는 '단전자 트랜지스터(전자 하나만 제어해 신호를 전달하는 집적회로 구성요소)'를 구현하는 것도 성공했다.

신 교수는 "그래핀 양자점 기반 단전자 트랜지스터는 빠른 정보처리와 저전력으로 작동하는 전자기기에 적용돼 기술적 진보를 가져올 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'(Nature Communications) 16일 자 온라인판에 게재됐다.

윤승훈 기자  press@jeonpa.co.kr

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