^*그래핀(Graphene)은 탄소 원자가 육각형 벌집모양으로 연결된 원자 한 층의 물질로, 엄청나게 얇으면서 물리적․화학적 안정성이 높고 전기전도도 등이 뛰어난 ‘꿈의 신소재’다. 이 물질을 수 나노미터 크기로 작게 만들면 그래핀 양자점이 된다. 육방정계 질화붕소(Hexagonal Boron Nitride, h-BN)는 질소와 붕소가 육각형 벌집보양으로 결합된 원자 한층의 물질로, ‘백색 그래핀’으로도 불린다. 그래핀과 달리 전류가 흐르지 않는 절연 특성을 지니고 있어 2차원 부도체로의 응용이 가능하다.

^*단전자 트랜지스터(Single Electron Transistor): 트랜지스터는 전자 신호를 증폭시키거나 바꾸는(switching)하는 반도체 집적회로의 한 구성요소다. 현재 트랜지스터 하나를 작동하는 데 10만 개의 전자 흐름을 제어하지만, 단전자 트랜지스터는 전자 1개만 제어하므로 소비전력과 발열이 적어 미래 전자기기용으로 연구가 활발하다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

다양한 기계의 수요와 그에 따른 정보량이 기하급수적으로 증가하면서 한 장치 안에서 더 많은 역할을 수행하는 기술이 필요해졌다. 각종 기계의 신호 전달과 정보처리에 이용되는 반도체 속 집적회로(Integrated Circuit, IC) 하나가 다양한 기능을 해야 하는 것이다. 이를 위해서는 집적회로에 채울 수 있는 트랜지스터의 수를 증가시켜야 한다. 트랜지스터는 전류나 전압 흐름을 조절해 전기 신호를 증폭하거나 바꾸는(switching) 역할을 하는 장치로, 집적회로가 다양한 역할을 하도록 지원한다.

집적회로 속 트랜지스터의 수를 늘리려면 우선 트랜지스터의 크기를 줄여야 한다. 이와 더불어 제한된 공간 안에서 나타날 수 있는 발열 문제를 해결하고 에너지 소비를 최소화하기 위한 노력도 필요하다. 현재 사용되는 집적회로의 경우, 트랜지스터 하나가 동작하기 위해서 약 10만 개의 전자의 흐름을 제어해야 한다. 개인 컴퓨터의 동작횟수가 초당 20억 회라는 점을 고려하면, 집적회로 속에 트랜지스터가 늘어나면서 쓰이는 전력과 발열량은 막대하다.

이를 해결할 방법은 전자 하나로 동작하는 ‘단전자 트랜지스터(Single Electron Transistor)’를 구현하는 것이다. 즉, 사용하는 전자를 하나씩 제어해 트랜지스터가 동작하는 데 필요한 소비전력을 크게 줄이고, 발열 문제도 잡는 것이다. 또 전자를 하나씩 제어하게 되면 기존보다 더 고밀도로 집적회로를 제작하는 일이 가능해진다.

단전자 트랜지스터는 소스(Source)와 아일랜드(Island), 드레인(Drain)으로 구성되며 전자는 소스에서 아일랜드, 드레인으로 흐른다. 소스에서 넘어온 전자 하나가 아일랜드 부분에 머물면 다른 전자는 못 들어오는 구조다. 이 전자를 붙잡거나 이동시키는 식으로 제어하면서 신호를 전달한다. 따라서 아일랜드 부분 재료가 중요하다.

그래핀(Graphene)이나 육방정계 질화붕소(h-BN) 등 원자 한 층으로 이뤄진 2차원 소재를 활용한 단전자 트랜지스터에는 아일랜드로 ‘그래핀 양자점*’을 쓸 수 있다. 그러나 이 물질의 제조가 까다로워 그래핀 양자점 기반 단전자 트랜지스터 연구도 어려웠다.

^*그래핀 양자점(Graphene Quantum Dot): 탄소 원자들이 정육각형 형태로 배열된 2차원 평면 구조체인 그래핀이 20㎚ 이하로 작아질 경우, 그래핀 양자점이라고 부른다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 ‘육방정계 질화붕소(h-BN) 단일층*’ 내부에 ‘그래핀 양자점’이 형성된 새로운 2차원 평면 복합체를 제조하는 데 성공했다. 이 물질을 활용해 전자를 안정적으로 수송할 수 있는 ‘그래핀 양자점(Graphene Quantum Dot) 기반 수직 터널링 단전자 트랜지스터(Vertical Tunnelling Single Electron Transistors)’도 구현해냈다.

^*육방정계 질화붕소(Hexagonal Boron Nitride): 질화붕소는 질소(N)와 붕소(B)가 1:1로 결합된 화합물로, 부도체처럼 전기가 통하지 않고 열전도율이 높으며 화학적으로 안정적이고 단단하다. 그래핀(흑색)과 달리 절연성을 가지면서 뛰어난 물성을 가져 ‘백색 그래핀’이라고도 불린다. 이 물질은 압력과 온도에 따라 3가지 결정구조(육방정, 규빅형, 율짜이츠)를 가지는데, 일반적으로 말하는 질화붕소는 육방정 결정구조를 가진 질화붕소를 말한다.

그래핀 양자점은 흑연 덩어리를 화학적으로 반응시켜 얇게 벗겨내는 기술로 만들어왔다. 그런데 이 방법을 사용하게 되면 특정 기판, 예를 들면 단전자 트랜지스터를 만들기 위한 기판 위에 그래핀 양자점을 균일하게 배열시키기 어려웠다. 또 그래핀 양자점의 크기를 일정한 수준으로 만드는 것도 불가능했다. 제작된 그래핀 양자점의 가장자리에 전자의 흐름을 방해하는 각종 기능기나 불순물이 섞일 가능성도 높았다. 이런 물질들은 그래핀 양자점이 고유의 전기적 특성을 발휘하는 걸 방해했다.

이번 연구에서는 균일하게 배열되고, 일정한 크기를 가진 그래핀 양자점을 제작하기 위한 새로운 기술을 개발했다. 백금(Pt) 나노 입자가 배열된 실리카(SiO₂) 기판 위에 질화붕소를 전사해 메탄(CH₄) 기체 속에서 열처리한 것이다. 그러자 백금 입자 위 질화붕소가 선택적으로 그래핀으로 치환되면서 나노 크기의 그래핀 양자점이 만들어졌다. 질화붕소와 그래핀 모두 구성 원소들이 육각형 벌집 모양으로 연결된 소재라서, 쉽게 서로의 자리를 바꾼 것이다.

질화붕소가 그래핀으로 치환되는 현상은 백금 나노 입자 위에서만 일어난다. 따라서 백금 나노 입자의 크기를 조절하면, 그래핀 양자점의 크기도 조절할 수 있다. 실제로 연구진은 7~13㎚ 크기의 그래핀 양자점 배열을 선택적으로 조절해 제작하는 데 성공했다.

특히 이렇게 만들어진 그래핀 양자점은 가장자리에 질화붕소가 화학결합을 이루며 둘러싸게 된다. 따라서 흑연 덩어리에서 그래핀 양자점을 만들어낼 때와 달리 불순물이 섞이지 않고, 그래핀 양자점 본연의 전기적　광학적 특성을 발휘할 수 있다. 그래핀 양자점 내부에서 안정적으로 전자를 수송할 수 있게 되는 것이다.

3. 기대효과

이번 연구로 그래핀 양자점을 단전자 트랜지스터의 중요한 구성요소인 ‘아일랜드’로 활용할 수 있음을 입증했다. 이로써 향후 그래핀 양자점 기반 단전자 트랜지스터로 집적회로를 만들 가능성을 열었다. 향후 빠른 정보처리 속도는 물론 저전력으로 동작할 수 있는 전자기기에 적용돼 기술적 진보를 가져올 것으로 전망된다.

그래핀 양자점을 원하는 크기로 안정적으로 제작하게 되면, 그래핀 양자점 기반 다른 소자에도 진보를 가져올 수 있다. 발광 특성을 지닌 그래핀 양자점 기반의 구조로 광 센서나 LED 같은 광전소자에 적용하면 유연발광소자 산업에도 기여할 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 트랜지스터(Transistor)

접적회로(IC) 구성요소로, 전류나 전압 흐름을 조절해 전기 신호를 증폭하거나 바꾸는(switching) 역할을 하는 장치.

2. 단전자 트랜지스터(Single Electron Transistor)

전자 1개로 동작하는 트랜지스터. 전자를 하나씩 제어하는 기술이 가능해지면 기존 트랜지스터에 비해 10만분의 1 정도의 전자만 제어하면 돼 그만큼 소비하는 전력이 크게 감소한다. 이를 이용하면 기존보다 더 고밀도의 집적회로 제작이 가능하다.

3. 그래핀 양자점(Graphene Quantum Dot)

그래핀은 탄소 원자들이 육각형 형태로 배열된 2차원 평면구조의 탄소소재다. 이 물질의 크기가 20㎚ 이하일 경우 ‘그래핀 양자점’이라고 부른다.

4. 육방정계 질화붕소(Hexagonal Boron Nitride)

붕소(B)와 질소(N)로 이루어진 육각형 벌집구조 모양의 2차원 물질. 부도체처럼 전기가 안 흐르는 절연성을 지닌다.

5. 화학적 박리법

덩어리 상태의 소재를 화학적 반응을 통해 벗겨내는 기술로, 원자 한 층씩 벗겨내는 것을 뜻한다.

6. 블록 공중합체(Block Copolymer)

작은 분자(단량체)를 반복해 공유결합시켜 얻은 물질인 고분자의 일종. 한 종류의 단량체를 결합시킨 것은 ‘단일중합체(homopolymer)’, 두 가지 다른 단량체를 같은 사슬에 결합시켜 얻은 고분자는 ‘공중합체(copolymer)’라고 한다. ‘블록(block)’은 인접하는 다른 부분과 화학구조상으로나 입체 배치상 다른 ‘다수의 분자 덩어리’를 뜻한다. ‘블록 공중합체’는 한 가지 단량체가 중합돼 블록을 형성하고, 이어서 다른 단량체가 중합되어 블록을 형성하는 식으로 반복돼 얻어진 공중합체다.

7. 자기조립(Self Assembly)

외부 힘을 가하지 않아도 입자들이 스스로 정렬하는 것.

8. 쿨롱 차단(Coulomb Blockade)

단전자 트랜지스터는 소스(source), 아일랜드(island), 드레인(drain)으로 구성되고, 전자는 소스에서 아일랜드로 다시 아일랜드에서 드레인으로 이동한다. 이때 각 장벽을 가로지르는 터널을 이용한다(터널링). 그런데 아일랜드에 전자가 머물면, 다음 전자는 쿨롱(coulomb) 반발력으로 소스에서 아일랜드로 터널링을 할 수 없고, 전자의 흐름이 형성되지 않는다. 이를 쿨롱 차단(coulomb blockade)이라고 한다.

[붙임] 그림 설명