Graphene 응용

  그래핀은 열적, 전기적, 기계적 특성이 좋아 탄소나노튜브만큼 많은 영역에서 그 응용을 기대하고 있다. 특히, 그래핀이 가지고 있는 이차원 구조는 앞에서 언급한 독특한 물리적 성질과 더불어 전기-전자적 응용 측면에서 여타의 탄소 동소체들과는 다른 매우 독특한 장점을 가지고 있다. 즉, 이차원 구조로 인하여 인쇄, 식각 등으로 대표되는 top-down 방식의 일반적인 반도체 공정을 도입해서 전자회로를 구성할 수 있다는 장점이다. 이러한 대규모의 응용을 위해서는 대면적의 그래핀을 반도체 기판위에 만드는 것이 무엇보다 중요하다. 이를 위해 육방정 탄화규소(hexagonal silicon carbide)를 약 1300도정도로 가열하여 (0001) 표면에 그래핀을 성장시키는 방법이 발전되어 왔다. 이렇게 기른 그래핀을 켜쌓기 그래핀(epitaxialgraphene)이라고 부른다. 최근 여러 가지 실험을 통해서 켜쌓기 그래핀은 보통의 그래핀과는 많이 다른 성질들을 보여준다는 사실을 알게 되었다. 예를 들어, 각분해 광전자 분광법을 통해 켜쌓기 그래핀의 에너지띠를 관찰한 실험들에서 에너지틈을 확인하여 큰 관심을 불러 일으켰고 많은 이론과 실험연구들이 그 현상을 규명하려고 노력하고 있다.

   대면적의 그래핀을 만들기 위한 여타 많은 다른 노력들, 예를 들어 촉매 금속을 이용한 성장법과 더불어 최근에는 화학적인 합성법을 이용한 연구들이 많은 주목을 받고 있다.아직까지 원하는 정도의 순도를 가진 대면적의 그래핀을 만들지는 못했지만, 지금까지의 발전 속도를 고려한다면, 고순도 대면적의 그래핀을 반도체 위에서 곧 제작할 수 있을 것이라는 낙관적인 전망을 할 수 있다.

   그래핀을 이용하여 나노미터 크기의 회로를 제작하면 그래핀의 성질이 급격하게 바뀔 것으로 예측된다. 탄소나노튜브를축 방향으로 펼친 것과 같은 일차원 나노선을 그래핀으로 제작할 수 있게 되면, 그 응용성 또한 무척 클 것으로 기대된다. 이렇게 그래핀으로 만든 나노선을 그래핀 나노리본이라고 통상 일컫는다 [그림].

[그림] 그래핀 나노리본으로 만들어진 전자회로의 상상도.

   그래핀 나노리본을 전자회로에 응용하려면, 그 물리적 성질을 이해하는 것이 무척 중요하다. 그래핀의 독특한 전자구조로 인하여 탄소나노튜브는 같은 지름을 가진다고 하여도 그래핀을 말아서 나노튜브를 만드는 방법에 따라 금속 혹은 반도체가 될 가능성이 있다. 물리적으로 무척 흥미롭지만, 이러한 불균질한 전기적 성질은 탄소나노튜브의 응용에 큰 걸림돌이 되어 왔다. 하지만, 그래핀 나노리본을 만들면 그 제작 방법에 상관없이 모두 반도체가 될 것이라는 이론적인 예측이 제출되었고,최근 실험에서 부분적으로 그 예측이 확인되었다. 이러한 기초적 이론-실험 연구들은 향후 그래핀 나노리본을 전자회로에 응용할 때 중요한 기반을 제공할 것으로 기대된다. 또한, 전자를 이용한 응용 이외에도, 그래핀을 특수한 방향으로 절단하여 그래핀 나노리본을 만들면 스핀을 이용한 정보처리에 응용할 수 있다는 이론적 예측도 있다.하지만 아직 그래핀 나노리본의 모서리를 원자 단위에서 제대로 제어할 수 없기 때문에 실험적 확인이 아직 불가능한 상태이다. 이처럼, 그래핀의 모서리의 모양에 따라서 발생하는 흥미로운 물리적 변화에 대한 많은 이론적 연구가 있다. 특히 자기적 성질에 관한 많은 흥미로운 예측을 확인하기 위해서, 그리고 예측가능하고 균일한 전기적 성질을 가진 그래핀 나노리본을 제작하기 위해서도 그래핀의 모서리에 대한 원자구조를 조작할 수 있어야 하며이는 향후 많은 실험적 연구가 필요할 것이다.