고려대 물리학과 이철의 교수 연구팀, 반금속 탄소나노튜브 예견

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고려대학교
2012-02-08 11:24
서울--(뉴스와이어)--고려대학교 물리학과 이철의 교수 연구팀은 최근 제일원리계산을 통해 수소 흡착된 탄소나노튜브가 반금속이 됨을 예견하고 그 원리를 규명했다.

탄소나노튜브는 탄소들이 모여 나노크기의 매우 긴 튜브를 형성한 것으로 1991년 처음 발견된 이래 학술적 및 기술적 관심이 지속되어 왔으며, 나노튜브를 이용한 전자공학 및 스핀트로닉스 소자개발이 상당히 진척됐다. 이철의 교수 연구팀은 세계적인 학술지인 Advanced Materials 최근호에서 제일원리계산을 통해, 수소 흡착된 탄소나노튜브가 반금속이 되는 것을 예견하고 그 원리를 규명했다.

이철의 교수 연구팀의 연구결과에 의하면, 탄소나노튜브에 흡착된 수소는 마치 그래핀 나노리본의 가장자리에서 형성되는 것과 같은 전자상태를 유발하고 이들에 의해 반금속 특성을 나타내게 된다. 반금속성을 나타내기 위해서는 흡착된 수소들이 적절한 패턴을 형성해야만 한다. 소자로 응용하기 위해서는 탄소나노튜브를 실리콘 기판위에 배치해야 하는데, 재미있게도 이런 조건에서의 수소흡착은 스스로 적절한 패턴을 형성할 것으로 예견되었다. 탄소나노튜브의 합성 및 소자제작은 오랜 연구를 통해 상당 수준의 기술에 도달해 있으며, 이처럼 잘 개발된 조건에서 탄소나노튜브는 반금속이 될 것으로 예견된다. 더욱이 수소흡착에 의한 반금속성은 다른 탄소소재에도 쉽게 적용될 수 있기 때문에 탄소소재 기반 스핀트로닉스의 실현이 크게 앞당겨질 것으로 여겨진다.

교육과학기술부 기초연구지원사업 (한국연구재단 구 국가지정연구실사업 및 선도연구센터지원사업) 과정에서 나온 이번 성과는 탄소의 물성에 대한 원리적 기반을 제공할 뿐더러 친환경 소재 개발 및 이에 기초한 첨단기술 구현에 기여하는 것으로 평가된다.

10억분의 1미터에 해당하는 나노 크기의 탄소나노튜브는 금속성과 반도체 특성을 모두 가질 수 있기 때문에 전자소자로의 개발이 활발하게 진행되고 있으며, 여러 형태의 시제품들이 고안되고 발표되어왔다. 금속성의 탄소나노튜브를 이용한 스핀트로닉스 소자의 기본 형태도 제시되어왔으나, 이때는 불가피하게 중금속을 포함하는 반금속 전극을 사용해야했다. 반금속 나노튜브를 사용하면 가볍고 친환경적소재로 구성된 스핀트로닉스 소자의 고안과 제작이 가능하다.

또한, 최근 이철의 교수 연구팀(연구진: 이규원 연구교수)은 탄소의 한 형태인 흑연과 풀러린이 영구자석이 되는 원리를 규명하여 탄소기반 스핀트로닉스의 가능성을 보인 바 있다.

<연구내용>

전자는 “전하”와 “스핀”이라는 특성을 갖는다. 전하는 일상생활에서 익숙한 전기현상을 일으키며 현대 문명의 근간인 전자공학에서 활용된다. 스핀은 비교적 덜 익숙한 용어이지만 자석에서 발견되는 것과 같은 자기현상을 일으키며 자석에 N극과 S극이 있는 것처럼 스핀도 두 방향을 갖고 있다. 최근 10여년 간, 전하만이 아니라 스핀까지 활용하려는 차세대 기술인 스핀트로닉스(또는 스핀전자공학)에 대한 연구가 계속되고 있다. 일부 기술은 이미 컴퓨터 등의 기억저장장치에서 활용되고 있다. 전류는 전하를 가진 전자의 흐름을 일컫는데, 이 안에는 두 방향의 스핀이 뒤섞여 있어서 알짜 스핀은 항상 0이다. 스핀트로닉스의 기반은 한쪽 방향의 스핀만을 갖는 전류를 생성하고 검출하는 것이다. 이와 같이 스핀 분극된 전류를(줄여서, 스핀전류) 생성하고 검출할 수 있는 기본적인 특성을 가진 물질이 반금속 (Half-metal)이다. 금속은 전하가 잘 흐르는 물질이고 절연체는 전하가 흐르지 못하는 물질이다. 반금속에서는 한쪽 방향 스핀은 (스핀을 가진 전자는) 금속처럼 잘 흐르지만, 반대 방향의 스핀은 흐르지 못한다. 이처럼 절반은 금속이고 절반은 절연체이므로 반금속이라 하며, 반금속을 통과한 전류는 스핀 분극된다. 기존의 반금속은 일부 금속 산화물에서만 발견되어왔는데 이들은 단단하지만 무겁고 환경 또는 생체에 해로운 중금속을 포함한다. 몇 년 전, 그래핀 (graphene)을 나노크기의 긴 리본 모양으로 자르면 가장자리 효과에 의해 반금속성을 보인다는 제일원리계산 결과가 발표되면서 탄소기반 스핀트로닉스의 가능성을 엿볼 수 있게 되었다. 탄소는 다이아몬드로부터 연필심에 사용되는 흑연까지 매우 다양한 형태를 가질 수 있다. 탄소는 가볍고 단단하며 친환경적 소재로서, 숯은 전통적으로 사용되어온 탄소의 한 형태이고 탄소섬유는 이미 응용되고 있는 대표적인 예이다.

<용어 설명>

그래핀 (graphene)
탄소들이 모여 벌집모양의 평면 구조를 형성한 물질로 최근에 큰 관심을 받고 있다.

그래핀 나노리본(graphene nanoribbon)
그래핀을 가늘고 긴 나노크기의 리본 형태로 재단한 형태.

탄소나노튜브 (carbon nanotube)
탄소로 이루어진 물질의 한 형태. 탄소들이 모여 나노크기의 긴 튜브를 형성.그래핀을 둥글게 말면 탄소나노튜브를 만들 수 있다.

스핀트로닉스 (spintronics or spin electronics)
스핀전자공학이라고도 하며 스핀에 기초한 전자공학을 지칭.전자의 전하와 스핀을 모두 이용하려는 전자공학.

웹사이트: http://www.korea.ac.kr

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