▲  나노미터 수준의 그래핀 기능화 방법 모식도 : 원자간 힘 현미경의 나노 탐침(Conductive Tip) 에 전압(V라고 표기)을 조절하는 방법으로 나노 미터 수준의 그래핀 기능화 방법을 개발하고 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 있음을 밝혔다. 화학결합의 종류에 따라 전기전도도, 밴드갭, 화학적 결합 능력 등이 서로 다른 기능화 그래핀(파란색 패널, 녹색 패널, 노란색 패

[동양뉴스통신] 김혜린 기자 = 건국대 물리학부 박배호 교수와 변익수 박사 연구팀, 한국표준과학연구원 김원동 박사, 고등과학원 손영우 교수 연구팀이 그래핀 위에 화학적 성질이 서로 다른 나노회로를 그릴 수 있는 전기적 나노 화학펜 방법을 개발했다.

▲  박배호 교수

향후 복합 센서 같은 다양한 기능을 갖거나 그래핀 기반 소재만으로 구성된 전자소자 개발에 기여할 것으로 기대되는 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적연구) 등의 지원으로 수행되었고 연구결과는 네이처 자매지 NPG 아시아 머티리얼즈(NPG Asia Materials)지 5월 23일자에 게재됐다. (논문제목 : Electrical control of nanoscale functionalization in graphene by the scanning probe technique)

▲  김원동 박사

그래핀에 산소 혹은 수소를 결합시켜 전기적, 화학적 성질을 다양하게 바꿔주면 복합 센서 같은 다양한 기능을 갖거나, 그래핀 기반 소재만으로 구성된 전자소자에 쓸 수 있는 등 그래핀의 활용도를 크게 증가시킬 수 있으나 기존에는 복잡한 화학적 처리를 통해 산화 또는 수소화시켜 공정이 어렵고, 또한 만들어진 그래핀의 특성을 세밀히 조절하기 어렵다는 한계가 있었다.

건국대 연구팀은 공기 중에서 전압이 걸린 원자간힘 현미경의 나노탐침을 이용하여 그래핀의 원하는 부분만 선택적으로 산화 또는 수소화시키는 방법을 개발했다.

원자간힘 현미경(Atomic Force Microscopy)은 수십 나노미터 크기의 마이크로 탐침 끝의 원자들과 시료 표면 원자들 사이에 작용하는 반발력을 이용하여 아주 미세한 물질의 표면을 영상화해 내는 현미경이다.

▲  변익수 박사

기존 화학적 처리 방식에 비해 나노미터 크기의 정확도를 가지고 원하는 위치에 선택적으로 작용기(作用基)를 흡착할 것으로 기대돼 향후 이를 이용한 다양한 기능을 갖는 그래핀 나노소자 구현과 관련된 연구에 기여할 것으로 보인다.

나노탐침을 이용한 그래핀의 산화 혹은 수소화 피복율*은 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. 

고등과학원 연구팀에서는 이 실험결과를 뒷받침하고 설명할 수 있는 이론적 해석을 구체적으로 제시했다.

박배호 교수는 “이 결과를 응용하여 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 의의를 밝혔다.