원자력연구원, 건식 제조와 패터닝 기술 개발

▲ 이온빔을 조사해 그래핀 양자점을 만드는 과정을 표현한 모식도. ⓒ 한국원자력연구원
▲ 이온빔을 조사해 그래핀 양자점을 만드는 과정을 표현한 모식도. ⓒ 한국원자력연구원

한국원자력연구원 양성자과학연구단은 하준목·여순목 박사 연구팀이 '이온빔 기술을 활용한 고결정성 고순도 그래핀 양자점의 건식 제조와 패터닝 기술'을 개발했다고 23일 밝혔다.

그래핀(Graphene)은 강철보다 200배 이상 강하고, 구리보다 100배 높은 전기전도성을 가져 꿈의 신소재라 불린다.

그래핀을 수 나노미터로 줄이면 반도체의 특성까지 갖게 되는데 이를 '그래핀 양자점'이라 한다.

전류를 흘려주거나 빛을 쪼이면 반도체처럼 빛을 발하고, 의료용으로 사용할 수 있을 만큼 인체에 무해해 의료·산업 분야 전반에 활용하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.

연구팀이 개발한 기술은 양성자과학연구단이 보유한 이온빔 조사시험시설을 적극 활용했다.

반도체 실리콘 기판의 원하는 부위에 금속이온빔을 조사해 철 나노입자를 생성한다. 철 나노입자는 800도~1000도에 이르는 두 차례의 가열 공장을 거치며 그래핀 양자점을 합성하고, 고온 속에서 모두 증발돼 그래핀 양자점만을 남긴다.

연구진은 이 과정을 통해 불순물이 없는 순수한 그래핀 양자점을 정확한 위치에 제조하는 데 성공했다.

양자점을 기판에 원하는 모양의 회로로 배치해 형성하는 패터닝까지 성공했다. 세계 최초다.

그래핀 양자점은 흑연 덩어리를 강한 산이나 염기 등으로 잘게 깎아내는 화학적 공정을 거쳐 액체 상태로 만들어낸다. 불필요한 부산물이 포함될 때가 많고, 유독성 물질을 사용하기 때문에 완성된 그래핀 양자점이 인체에 유해하다는 논란도 있다.

그래핀 양자점은 액체 형태로 만들어져 패닝이 어렵기 때문에 디스플레이, 태양전지 등 산업적 활용에 제한이 있었다.

김유종 양성자과학연구단장은 "지금까지 그래핀 양자점의 상용화를 가로막던 장애물들을 극복할 수 있다"며 "그래핀 양자점의 산업과 의료 분야 상용화를 앞당기겠다"고 말했다.

하준목 선임연구원은 "인체친화적이 순수 그래핀 양자점을 어떠한 화학물질도 사용하지 않고 제조했다는 점도 중요하다"며 "중금속을 활용해 만드는 기존의 양자점을 완벽히 대체할 수 있도록 기술을 발전시키겠다"고 말했다.

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