꿈의 신소재에서 투명망토까지 연구개발이 곧 국가 경쟁력이다 삼성전자, 새로운 그래핀 소자 구조 제시삼성전자 종합기술원이 ‘꿈의 신소재’인 그래핀을 활용해 새로운 트랜지스터 구조를 개발했다. 이는 기존 실리콘의 한계를 극복하고 미래 트랜지스터 개발 가능성을 한 단계 높인 것으로 평가되며 세계적 권위의 학술지인 사이언스誌 온라인판에 게재됐다. 반도체에는 실리콘(Si) 소재의 트랜지스터가 수십억 개씩 들어 있으며 반도체 성능을 높이려면 트랜지스터의 크기를 줄여 전자의 이동 거리를 좁히거나 전자의 이동도가 더 높은 소재를 사용해 전자가 빠르게 움직이게 해야 한다. 이에 따라 높은 전자 이동도를 갖고 있는 그래핀은 실리콘을 대체할 물질로 각광받아 왔으나, 그래핀이 금속성을 지니고 있어 전류를 차단할 수 없다는 점이 문제점으로 지적되어 왔다. 트랜지스터에서는 전류의 흐름과 차단으로 디지털 신호인 ‘0과 1’을 나타내므로 그래핀을 실리콘 대신 사용하기 위해서는 반도체화 하는 과정을 거쳐야만 한다. 그러나 이 과정에서 그래핀의 이동도가 급감하므로 그래핀 트랜지스터에 대한 회의적인 시각이 많았다. 이번에 삼성전자 종합기술원은 새로운 동작원리를 적용해 그래핀 자체를 변화시키지 않으면서 전류를 차단할 수 있는 소자를 개발했다. 즉, 그래핀과 실리콘을 접합해 쇼키 장벽(Schottky Barrier)을 만들고 이 장벽의 높이를 조절하는 방법으로 전류를 켜고 끌 수 있게 한 것이다. 장벽(Barrier)를 직접 조절한다는 의미에서 삼성전자는 새로운 소자를 ‘배리스터(Barristor)’로 명명했다. 또한 디지털 신호인 ‘0’ 또는 ‘1’ 을 상호 변환하는 가장 기본적인 회로인 인버터 등을 제작해 기본 연산(덧셈)을 구현했다. 이번 논문을 통해 삼성전자는 그래핀 소자 연구의 최대 난제를 해결함으로써 추후 연구에 새로운 방향을 제시했고 관련 분야를 선도할 수 있는 기반을 구축한 것으로 평가되고 있다. 현재 삼성전자는 기술원은 그래핀 트랜지스터의 동작방식과 구조와 관련한 핵심 특허 9건을 확보하고 있다. ‘퐁듀’처럼 금 묻혀 비대칭 금속 나노입자 제조국내 연구진이 유럽의 전통요리 중 하나인 ‘퐁듀(fondue)’를 먹는 방법에서 착안해 용액 속에서 대칭이 깨진(비대칭) 금속 나노입자를 대량 합성하는데 성공했다. 특히 이번 연구 결과는 질병진단, 치료 등 의학 분야나 몸을 가릴 수 있는 투명망토 및 상대방의 레이더와 적외선 탐지기에 맞서는 군사적인 은폐기술(스텔스, stealth) 등에 활용될 수 있어 응용성이 클 것으로 기대된다. 서강대 강태욱 교수(37세)가 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자지원사업(핵심연구)의 지원으로 수행됐고, 나노과학 및 기술 분야의 권위 있는 학술지인 ‘Nano Letters’지(IF=12.219)에 온라인으로(4월 16일) 게재됐다. (논문명 : Three-dimensional Reduced-symmetry of Colloidal Plasmonic Nanoparticles)대칭이 깨진 금속 나노구조는 투명망토나 군사적으로 중요한 스텔스 기능에 꼭 필요한 메타물질*의 소재가 될 뿐만 아니라, 우수한 광학특성을 이용한 질병의 조기진단과 빛을 이용한 암세포치료 등 의학 분야에서도 활용될 수 있는 중요한 물질이다. 3차원의 대칭이 깨진 금속 나노입자는 입자 주변의 근접한 장(near-field)을 강화하거나 빛의 산란효과와 같은 광학적 성질을 지녀 대칭적 나노입자가 가질 수 없는 유용한 광학적 성질을 지니는 것으로 알려져 있다. 특히 이 특별한 광학적 성질은 바이오의학 분야뿐만 아니라 메타물질의 소재로 활용될 수 있어 응용가치가 무궁무진하다. 지금까지 대칭이 깨진 금속 나노구조를 합성하기 위해, 전 세계 과학자들은 평평한 기판 위에서 복잡한 식각공정*을 거치는 등 매우 제한적으로 만들었다. 또한 만들어진 입자 혹은 나노구조의 수가 매우 적어 실용화할 수 없어, 기본적인 광학특성 등을 연구하는 데에만 주로 사용됐다. 따라서 2차원 식각공정과 같이 평면 위에서 입자를 만들면 얻을 수 있는 입자의 수가 적기 때문에 입자를 대량생산하기 위해서는 반드시 3차원 용액 속에서 합성해야 한다. 그러나 용액에서 합성해도 합성할 때 생겨나는 작은 핵(nucleus)이 최종 나노입자의 대칭점으로 작용해 대칭점이 없는 비대칭 금속 나노구조를 자연적으로 만들 수 없는 문제점이 발생한다. 강 교수 연구팀은 먼저 용액 속에서 혼성 나노입자를 합성한 후, 금(Gold)만 선택적으로 과성장시켜 대칭이 깨진 금속 나노입자를 대량 합성하는데 성공했다. 강 교수팀은 퐁듀가 한쪽 면에 치즈 등을 묻혀서 먹는 방식인 점에 착안해, 먼저 용액 속에서 금과 폴리스타이렌 나노입자를 각각 하나씩 한 쌍으로 붙여 혼성 나노입자를 합성한 후, 금만 과성장시킨 용액을 찍어서 금속 나노입자의 대칭을 깨뜨릴 수 있었다. 연구팀이 개발한 합성법은 금 이온의 양과 환원제의 종류 및 나노입자의 크기 등을 조절해 간단하게 다양한 형태의 비대칭 금속 나노입자를 자유자재로 합성할 수 있다. 또한 다른 조합의 금속 나노입자(금과 실리카, 은과 산화철, 금과 산화철 등)에도 적용해 각종 다기능 금속 나노입자를 만들 수 있고, 용액 속에서 합성하기 때문에 대량생산할 수 있는 장점이 있다.강태욱 교수는 “이번 연구성과는 일상생활에서 흔히 먹는 ‘퐁듀’에 착안해 지금까지 과학자들이 풀지 못했던 비대칭 금속 나노입자 대량 합성에 성공한 것으로, 향후 몸을 가릴 수 있는 투명망토나 군사적으로 중요한 스텔스 기능을 갖는 물질에 응용하거나 질병 진단과 치료에도 적극 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의의를 밝혔다.$$$$$

꿈의 신소재에서 투명망토까지

연구개발이 곧 국가 경쟁력이다

기사입력 2012-06-28 00:07:52

[산업일보]
삼성전자, 새로운 그래핀 소자 구조 제시

삼성전자 종합기술원이 ‘꿈의 신소재’인 그래핀을 활용해 새로운 트랜지스터 구조를 개발했다.

이는 기존 실리콘의 한계를 극복하고 미래 트랜지스터 개발 가능성을 한 단계 높인 것으로 평가되며 세계적 권위의 학술지인 사이언스誌 온라인판에 게재됐다.

반도체에는 실리콘(Si) 소재의 트랜지스터가 수십억 개씩 들어 있으며 반도체 성능을 높이려면 트랜지스터의 크기를 줄여 전자의 이동 거리를 좁히거나 전자의 이동도가 더 높은 소재를 사용해 전자가 빠르게 움직이게 해야 한다.

이에 따라 높은 전자 이동도를 갖고 있는 그래핀은 실리콘을 대체할 물질로 각광받아 왔으나, 그래핀이 금속성을 지니고 있어 전류를 차단할 수 없다는 점이 문제점으로 지적되어 왔다.

트랜지스터에서는 전류의 흐름과 차단으로 디지털 신호인 ‘0과 1’을 나타내므로 그래핀을 실리콘 대신 사용하기 위해서는 반도체화 하는 과정을 거쳐야만 한다. 그러나 이 과정에서 그래핀의 이동도가 급감하므로 그래핀 트랜지스터에 대한 회의적인 시각이 많았다.

이번에 삼성전자 종합기술원은 새로운 동작원리를 적용해 그래핀 자체를 변화시키지 않으면서 전류를 차단할 수 있는 소자를 개발했다.

즉, 그래핀과 실리콘을 접합해 쇼키 장벽(Schottky Barrier)을 만들고 이 장벽의 높이를 조절하는 방법으로 전류를 켜고 끌 수 있게 한 것이다.

장벽(Barrier)를 직접 조절한다는 의미에서 삼성전자는 새로운 소자를 ‘배리스터(Barristor)’로 명명했다.

또한 디지털 신호인 ‘0’ 또는 ‘1’ 을 상호 변환하는 가장 기본적인 회로인 인버터 등을 제작해 기본 연산(덧셈)을 구현했다.

이번 논문을 통해 삼성전자는 그래핀 소자 연구의 최대 난제를 해결함으로써 추후 연구에 새로운 방향을 제시했고 관련 분야를 선도할 수 있는 기반을 구축한 것으로 평가되고 있다.

현재 삼성전자는 기술원은 그래핀 트랜지스터의 동작방식과 구조와 관련한 핵심 특허 9건을 확보하고 있다.

‘퐁듀’처럼 금 묻혀 비대칭 금속 나노입자 제조

강태욱 교수 연구팀의 이치원 석사과정생(왼쪽)과 신용희 석사과정생(오른쪽)이 비대칭 금속나노입자를 합성하고 있다.

국내 연구진이 유럽의 전통요리 중 하나인 ‘퐁듀(fondue)’를 먹는 방법에서 착안해 용액 속에서 대칭이 깨진(비대칭) 금속 나노입자를 대량 합성하는데 성공했다.

특히 이번 연구 결과는 질병진단, 치료 등 의학 분야나 몸을 가릴 수 있는 투명망토 및 상대방의 레이더와 적외선 탐지기에 맞서는 군사적인 은폐기술(스텔스, stealth) 등에 활용될 수 있어 응용성이 클 것으로 기대된다.

서강대 강태욱 교수(37세)가 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자지원사업(핵심연구)의 지원으로 수행됐고, 나노과학 및 기술 분야의 권위 있는 학술지인 ‘Nano Letters’지(IF=12.219)에 온라인으로(4월 16일) 게재됐다. (논문명 : Three-dimensional Reduced-symmetry of Colloidal Plasmonic Nanoparticles)

대칭이 깨진 금속 나노구조는 투명망토나 군사적으로 중요한 스텔스 기능에 꼭 필요한 메타물질*의 소재가 될 뿐만 아니라, 우수한 광학특성을 이용한 질병의 조기진단과 빛을 이용한 암세포치료 등 의학 분야에서도 활용될 수 있는 중요한 물질이다.

3차원의 대칭이 깨진 금속 나노입자는 입자 주변의 근접한 장(near-field)을 강화하거나 빛의 산란효과와 같은 광학적 성질을 지녀 대칭적 나노입자가 가질 수 없는 유용한 광학적 성질을 지니는 것으로 알려져 있다. 특히 이 특별한 광학적 성질은 바이오의학 분야뿐만 아니라 메타물질의 소재로 활용될 수 있어 응용가치가 무궁무진하다.

지금까지 대칭이 깨진 금속 나노구조를 합성하기 위해, 전 세계 과학자들은 평평한 기판 위에서 복잡한 식각공정*을 거치는 등 매우 제한적으로 만들었다. 또한 만들어진 입자 혹은 나노구조의 수가 매우 적어 실용화할 수 없어, 기본적인 광학특성 등을 연구하는 데에만 주로 사용됐다.

따라서 2차원 식각공정과 같이 평면 위에서 입자를 만들면 얻을 수 있는 입자의 수가 적기 때문에 입자를 대량생산하기 위해서는 반드시 3차원 용액 속에서 합성해야 한다. 그러나 용액에서 합성해도 합성할 때 생겨나는 작은 핵(nucleus)이 최종 나노입자의 대칭점으로 작용해 대칭점이 없는 비대칭 금속 나노구조를 자연적으로 만들 수 없는 문제점이 발생한다.

강 교수 연구팀은 먼저 용액 속에서 혼성 나노입자를 합성한 후, 금(Gold)만 선택적으로 과성장시켜 대칭이 깨진 금속 나노입자를 대량 합성하는데 성공했다.
강 교수팀은 퐁듀가 한쪽 면에 치즈 등을 묻혀서 먹는 방식인 점에 착안해, 먼저 용액 속에서 금과 폴리스타이렌 나노입자를 각각 하나씩 한 쌍으로 붙여 혼성 나노입자를 합성한 후, 금만 과성장시킨 용액을 찍어서 금속 나노입자의 대칭을 깨뜨릴 수 있었다.

연구팀이 개발한 합성법은 금 이온의 양과 환원제의 종류 및 나노입자의 크기 등을 조절해 간단하게 다양한 형태의 비대칭 금속 나노입자를 자유자재로 합성할 수 있다. 또한 다른 조합의 금속 나노입자(금과 실리카, 은과 산화철, 금과 산화철 등)에도 적용해 각종 다기능 금속 나노입자를 만들 수 있고, 용액 속에서 합성하기 때문에 대량생산할 수 있는 장점이 있다.

강태욱 교수는 “이번 연구성과는 일상생활에서 흔히 먹는 ‘퐁듀’에 착안해 지금까지 과학자들이 풀지 못했던 비대칭 금속 나노입자 대량 합성에 성공한 것으로, 향후 몸을 가릴 수 있는 투명망토나 군사적으로 중요한 스텔스 기능을 갖는 물질에 응용하거나 질병 진단과 치료에도 적극 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의의를 밝혔다.