그래핀은 탄소 원자들이 벌집처럼 육각형으로 연결된 얇은 막 구조로, 두께는 0.35㎚ 정도로 매우 얇지만 강도와 전기전도성이 매우 뛰어납니다.
최근 터치스크린, 트랜지스터, 광검출기, 화학 생물 검출기, 열전기 장치 등 그래핀의 우수한 물리적 특성을 활용한 다양한 응용연구가 진행되고 있습니다.
또 완벽한 2차원 구조를 구현할 수 있는 그래핀을 이용해 2차원 공간에서 발생하는 새롭고 다양한 물리적 현상을 규명하는 연구도 진행 중입니다.
KRISS(한국표준과학연구원)를 비롯해 미국 표준기관(NIST), 독일 표준기관(PTB) 등 각국의 표준기관에서는 그래핀의 2차원 구조로 인해 발생하는 양자홀 효과를 활용해 양자저항 표준개발을 목표로 연구를 수행하고 있습니다.
정수용 박사
이번 연구의 공저자인 정수용 박사는 NIST 객원 연구원 재직 당시 실험 및 데이터 분석 등 관련 연구 성과에 주도적인 역할을 했고, 지난 4월부터 KRISS에서 그래핀 표준연구를 수행 중입니다.
기존 그래핀을 활용한 전자소자는 게이트 전극과 같은 외부 전기적 자극을 활용해 그래핀의 전기적 성질을 제어했습니다.
하지만 연구팀은 기존의 전기적 방법을 활용하지 않고, 역학적 방법으로 그래핀의 육각형 구조를 변형시켜 그래핀의 전기적 성질을 조절할 수 있음을 실험적으로 밝혀냈습니다.
탄소원자 한 층만으로 이뤄진 그래핀은 자체적 혹은 외부적 요인으로 탄소 육각형 구조에 변형이 생길 수 있습니다.
이로 인해 그래핀 격자 탄소 원자들 사이에 거리가 변하게 되고, 변형의 세기와 구조에 따라 다양한 전기적 특성이 나타날 수 있습니다.
이번 연구에서는 주사전자현미경(STM) 탐침과 그래핀 사이의 분자들이 서로 잡아당기는 반데르발스 힘, 기판 전극을 이용한 전기력 등을 이용해 그래핀 격자의 변형을 조절했습니다.
특히 그래핀이 원형 대칭 구조로 변형될 경우, 그래핀 내 전자들이 자유롭게 움직이지 못하고 한 지점에 양자점 형태로 모여 있게 된다는 기존의 이론적 예측을 실험적으로 직접 확인됐습니다.
이번 연구는 그래핀 성질을 외부적으로 조절 할 수 있는 방법이 전기적 방법만이 아니라 역학적 방법을 통해서도 가능하다는 것을 제시한 것으로, 늘어나는 전자시계, 휘는 가전제품 등 플렉서블 일렉트로닉스(flexible electronics) 등의 역학적 변형이 필요한 장치에 응용이 가능합니다.
그래핀의 모양이 삼변형 대칭으로 변해서 전기적 성질이 바뀌면 양자홀 효과가 발생했을 때와 비슷한 성질을 나타냅니다.
이러한 원리를 이용하면 극저온 냉장고와 고자기장 없이도 양자홀 효과를 발생해 저항표준기를 개발 할 수 있습니다.
향후 정 박사는 그래핀 기반 양자홀 효과를 이용한 새로운 전기저항표준 개발과 그래핀을 이용한 융합연구 및 측정기술 개발에 집중할 예정입니다.
주사탐침현미경(STM)을 활용해 그래핀을 원자 해상도로 관찰한 모습으로 육각형 모양으로 탄소 원자들이 나열되어 있는 것을 볼 수 있다. 외부 역학적 인자가 존재하지 않는 완벽한 그래핀의 경우 탄소 원자들 사이의 거리는 0.142 nm(나노미터) 이다. 하지만 외부 요인에 의하여 탄소-탄소 사이의 거리 값이 변하게 되면 그래핀의 전기적 성질도 바뀌게 된다.
실리콘 옥사이드에 사전에 제작된 나노 사이즈 구멍위에 올려진 그래핀은 기판과 붙어 있지 않아 외부 역학적 힘에 의하여 쉽게 그 형태가 변하게 된다. 따라서 STM 탐침과 그래핀 사이의 반데르발스 힘, 그리고 그래핀과 실리콘 게이트 전극사이의 전기적 힘을 이용하여 그래핀 막의 형태를 조절 할 수 있다(그림 1a). 이들 사이의 상관관계로 변형된 그래핀은 마치 핀셋으로 얇은 막을 잡아 당기는 경우처럼 국부적 변형이 일어나게 된다(그림 1b). 하지만 그래핀 막의 거시적 변형은 그림 2에서 볼 수 있듯이 STM 탐침과 그래핀 사이의 반데르 발스 힘이 우세한 경우 위쪽으로 잡아 당겨진 형태의 변형이 발생하며, 반대로 실리콘 전극과 그래핀 사이의 전기력이 우세하게 되면 나노 구멍쪽으로 다가가는 변형이 발생한다.
용 어 설 명
양자홀 효과 :
극저온, 고자기장 하에서 2차원적인 전자 시스템의 홀 저항이 물질에 무관하게 기본 물리상수의 비로 양자화 되는 현상, 전기저항표준으로 사용되고 있다.
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이것도 신기하네요. 고등학교때 과학동아에서 본 탄소나노 튜브라는 것과 비슷한 것 같기도 하고..
에궁 어렵네요.