노벨 물리학상 "그래핀 "

[반디]

var articleno = "8753973"; 노벨 물리학상에 가임ㆍ노보셀로프…휘는 디스플레이 소재 `그래핀` 발견

올해 노벨 물리학상은 '꿈의 신소재'로 불리는 그래핀을 처음 발견한 안드레 가임 영국 맨체스터대 교수(52)와 같은 대학 콘스탄틴 노보셀로프 교수(36)에게 돌아갔다.

스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 "탄소 원자가 육각형 벌집 구조로 결합하면서 탄소 원자 하나의 두께를 이루는 그래핀에 대한 선구적 연구를 수행해 온 두 과학자를 노벨물리학상 공동 수상자로 선정했다"고 5일 발표했다.

가임 교수는 네덜란드 국적이며,노보셀로프 교수는 러시아 출신의 영국 과학자다. 이들은 흑연(그래파이트)에서 스카치테이프 방법을 사용해 가장 얇게 한 층을 떼어낸 그래핀을 처음으로 만들고 이를 실리콘 기판 위에 얹는 방법을 2004년 사이언스지에 게재하면서 세계의 주목을 받았다. 또 이듬해 김필립 미 컬럼비아대 교수와 함께 그래핀의 특성을 분석해 네이처지에 실었다.

그래핀은 인류가 만들어 낸 최초의 '2차원 결정체'다. 현존하는 물질 중 가장 단단하고 얇은(약 0.2 나노미터) 물질로 알려져 있으며 상온에서 열 전도율이 가장 좋고 구리보다 전류밀도(단위면적당 전자를 보낼 수 있는 양)가 100만배 이상 좋다. 따라서 지금보다 수백 배 이상 빠른 반도체를 만들 수 있는 소재로 각광받고 있으며, 휘거나 비틀어도 깨지지 않아 '플렉서블 디스플레이'의 원천 기술로 주목받고 있다.

그래핀은 '2차원 물질은 안정된 상태로 존재할 수 없다'는 양자역학적 예측을 뒤집은 것이다. 대신 높은 에너지와 속도를 갖는 물질에 적용되는 '양자전기동력학(양자역학과 특수상대성이론이 모순없이 결합하는 이론)'에 따라 마치 질량이 없는 것처럼 전자가 움직인다.

손영우 고등과학원(KIAS) 계산과학부 교수는 "고체물리학과 입자물리학의 중간 정도 되는 특이한 전자의 성질을 인류 사상 최초로 발견한 것에 의미가 있다"며 "우리 나라는 그래핀 응용에 뛰어난 기술을 갖고 있는 만큼 앞으로 기대해 볼 만한 연구 분야"라고 말했다. 삼성테크윈과 함께 그래핀센터를 운영 중인 성균관대 연구진은 최근 '그래핀 투명전극 기반 롤투롤 기반 공정을 이용한 플렉서블 터치스크린 개발' '요오드산 환원제를 통한 그래핀 상온 대량 합성법' 등 연구성과를 속속 발표하고 있다.

노벨물리학상 그래핀 '꿈의 신소재'

’질량 없는 전자’ 특성지닌 차세대 소재

올해 노벨물리학상에 빛나는 그래핀(Graphene)은 전자 이동 속도가 실리콘 반도체보다 10배 이상 빨라 ’꿈의 신소재’라 불린다.

안드레 가임, 콘스탄틴 노보셀로프 교수는 지난 2004년 스카치테이프를 이용, 여러 개의 탄소층으로 구성된 흑연(Graphite)에서 아주 얇은 한 겹의 그래핀을 분리시키는 데 성공하는 논문을 세계적 권위지 사이언스에 발표했고 이번에 수상의 영광을 안게 됐다.

그래핀은 쉽게 말해 연필심에 쓰이는 흑연과 화학에서 탄소 이중결합을 가진 분자를 뜻하는 접미사인 ’ene’을 결합해 만든 조어로서, 탄소가 육각형의 형태로 서로 연결된 벌집 모양의 2차원 평면 구조를 이루는 물질이다.

흑연은 탄소를 6각형의 벌집모양으로 층층이 쌓아올린 구조로 이뤄져 있는데 그래핀은 흑연에서 가장 얇게 한 겹을 떼어낸 것이라 보면 된다. 탄소동소체(同素體)인 그래핀은 탄소나노튜브, 풀러린(Fullerene)처럼 원자번호 6번인 탄소로 구성된 나노물질이다.

한국과학기술원(KAIST) 부설 고등과학원(KIAS) 계산과학부 손영우 교수는 “물리학 이론적으로는 1차원, 2차원 물질은 안정된 상태로 존재할 수 없는 것으로 돼 있는데, 이를 뒤집어 상온에서 2차원 상태 그래핀을 실리콘 박막(기판) 위에 분리, 부착함으로써 그래핀의 특성을 확인한 점이 이번 물리학상의 의미”라고 밝혔다.

손 교수는 “나노튜브 등은 새로운 물질을 제조했다고 볼 수 있지만, 가임, 노보셀로프 교수의 연구는 이미 이론적으로 존재했지만 실제 분리하기가 불가능한 것으로 여겨졌던 그래핀을 분리한 점이 중요하다”고 말했다.

그래핀의 특성은 지난 1927년 폴 디락에 의한 양자전기동력학 이론을 따르며 그 존재 가능성은 1947년 처음 예측됐다. 양자전기동력학 이론은 양자역학과 특수상대성 이론이 모순 없이 결합한 것으로 보면 된다.

이처럼 스카치테이프 방법을 포함해 현재까지 그래핀을 생산하는 방법은 화학증착법(CVD), 실리콘 카바이드 절연체를 이용한 에피택셜(Epitaxial) 방법 및 환원제를 통한 화학적 방법 등 크게 4가지다.

특히 그래핀에서의 전자는 질량이 없는 것처럼 이동한다는 것이다. 따라서 반도체에 사용하는 실리콘보다 전기 전도성이 100배 이상 빠르고, 외부의 전력 공급 없이도 휘거나, 누르거나, 진동을 주면 스스로 전력이 발생하기 때문에 휘는 디스플레이기기의 전력 문제를 해결할 수 있다.

또한 구리보다 100배 더 많은 전류가 흐르고 다이아몬드보다 2배 이상 단단해 지금보다 수백 배 이상 빠른 반도체를 만들 수 있는 차세대 전자소재로 활발히 연구되고 있는 물질이다.

이런 이점을 활용해 셀로판지처럼 얇은 두께의 컴퓨터 모니터나 시계처럼 찰 수 있는 휴대전화, 종이처럼 접어 지갑에 넣고 휴대할 수 있는 컴퓨터 등을 만들 수 있는 소재로서 각광받고 있다.

하지만 아직은 실리콘과 달리 반도체적 성격을 갖지 못해 향후 반도체적 성격을 띤 그래핀 소재 개발이 상용화의 최대 과제가 되고 있다.

노벨상 수상으로 주목받는 꿈의 신소재 `그래핀`

한국, 연구ㆍ생산기술 세계 최고

그래핀은 휘는 성질때문에 차세대 디스플레이와 반도체 소재로 각광받고 있다.

그래핀(graphene)을 세계에서 처음 발견한 과학자(안드레 가임, 콘스탄틴 노보셀로프)들이 최근 노벨물리학상을 수상하자 꿈의 나노물질 그래핀에 대한 관심이 높아지고 있다.

2004년 가임과 노보셀로프(맨체스터대 교수)가 이 물질을 처음 발견하고 한국인인 김필립 미국 컬럼비아대 교수가 2005년 처음으로 물리적 특성을 규명했다. 노벨상 후보자로 유력하게 꼽혔던 김 교수가 수상자에서 빠져 국내 과학기술계에 아쉬움을 남겼다.

그러나 그래핀 기술응용과 상용화 부문에서 국내 대학과 기업들이 세계에서 가장 발 빠르게 움직이고 있다. 특히 그래핀은 한국이 경쟁력을 가지고 있는 주요 산업기반인 반도체와 디스플레이 산업에 혁신을 가져올 소재인 만큼 기술 개발의 중요성은 더욱 커지고 있다.

그래핀은 벌집 모양으로 연결된 나노물질로 탄소원자 한 층으로 구성돼 있다. 지금까지 인류가 발견한 가장 얇고 튼튼한 물질이다. 잘 휘고 투명하고 전기전도성이 높아 응용할 분야는 무궁무진할 것으로 예상된다.

특히 휘는 디스플레이와 고효율 태양전지, 실리콘을 대체할 초고속 반도체 등 미래 사회를 바꿀 만한 첨단기술을 가능하게 할 꿈의 소재로 각광받고 있다. 그래핀이 상용화되면 접는 디스플레이, 입는 컴퓨터는 상상이 아닌 실제가 될 수 있다.

그래핀은 환경 분야에서도 쓰임새가 클 것으로 예상된다. 포스텍 화학과 김광수ㆍ황인철 교수 팀은 그래핀을 활용해 독성 물질인 비소를 하천에서 99% 걸러낼 수 있는 기술을 개발하기도 했다.

현재 그래핀 응용기술은 성균관대와 삼성전자 가 주도하고 있다.

삼성전자 와 성균관대는 지난해 대면적 합성 기술을 제시하고 올해 그래핀을 활용한 나노전력발전소자도 개발하는 등 기술 상용화에 한발짝씩 다가서고 있다. 그래핀은 우수한 성질을 가진 소재지만 상용화를 위한 대면적 합성 기술 개발이 난제였다. 또 나노전력발전소자는 외부에서 전력 공급 없이도 휘거나 누르거나 진동을 주면 스스로 전력을 발생시키는 소자다. 연구팀이 그래핀을 나노전력발전소자에 적용함으로써 휘는 디스플레이의 핵심 난제인 전력 공급 문제가 어느 정도 해결됐다는 평가다.

홍병희 성균관대 성균나노과학기술원 교수는 "그래핀 응용기술 연구는 한국이 가장 앞서나가고 있다"고 말했다.

학계와 산업계는 그래핀 상용화가 이르면 2~3년 정도 안에 가능할 것으로 예상하고 있다.

당장 실용화가 이뤄질 분야는 터치스크린이다. 다음 단계는 휘어지는 디스플레이나 고효율 태양전지다.

홍 교수는 "그래핀을 제품에 적용하려면 크게 만들고 대량 생산할 수 있어야 하는데 2009년 이것이 가능하다는 것을 발견해 네이처 나노테크놀로지 표지논문에 실었다"며 "이후 터치스크린 시제품을 만들어 상용화를 앞당길 수 있음을 증명했다"고 말했다.

성균나노과학기술원은 그래핀을 이용한 플렉시블 터치스크린은 3년 안에 상용화할 수 있고 LCD와 OLED(유기발광 다이오드) 등 디스플레이는 5년 안에 시제품이 나올 것으로 예상하고 있다.

삼성전자 도 비슷한 생각이다. 삼성전자 관계자는 "상용화는 이르면 2~3년 또는 5년 정도는 있어야 가능할 것"이라며 "현재 종합기술원에서 지속적으로 연구하고 있지만 아직 사업을 위한 체계적인 투자나 조직을 만들지는 않았다"고 말했다.

안종현 성균관대 신소재공학부 교수는 "그래핀 응용 분야는 크게 투명전극과 반도체 소재로 나눌 수 있다"며 "투명전극은 휴대폰 등에 사용하는 터치스크린, LCD 등 디스플레이, 태양전지 등에 사용하는 중요한 소재로 현재 산화인듐주석을 사용하고 있는데 물량도 고갈되고 가격이 크게 상승하고 있어 대체물질 개발이 절실한 상황"이라고 말했다. 그래핀이 이를 대체할 것이라는 설명이다.

성균관대는 삼성전자 뿐 아니라 삼성테크윈 , 삼성모바일디스플레이, SK에너지 등 10여 개 기업과 공동연구를 하고 있다. 또 노벨상을 수상한 가임 교수와도 공동연구를 진행하고 있고 특히 석좌교수 임용도 추진하고 있다.

하지만 그래핀으로 실리콘을 대체할 초고속 반도체를 만들 수 있을지는 아직 불투명하다. 그래핀에 반도체적 특성을 부여하는 것이 어렵기 때문이다. 일부 전문가들은 반도체에 응용하는 것은 10년 이상 걸릴 수 있다고 전망한다.

■ < 용어설명 >
그래핀(Graphene) : 연필심에 쓰이는 흑연을 뜻하는 `그래파이트(Graphite)`와 화학에서 탄소 이중결합 분자를 뜻하는 접미사인 `ene`을 결합해 만든 조어다. 전기적ㆍ물리적 특성이 우수한 신소재로, 휘는 디스플레이와 차세대 반도체 소재로 주목받고 있다.

첨단 신소재 '그래핀'은 환경지킴이

휘는 터치스크린은 기본… 하천의 독성물질 비소 제거에도 탁월
자철석에 산화그래핀 붙이면 물속의 비소만 100% 걸러내… 커튼형 태양전지로 쓰이기도
세계 2번째 발견 김필립교수, 노벨상 수상 가능성도 커져

나노 물질 '그래핀(graphene)'이 미래 신소재의 주역으로 떠오르고 있다. 그래핀은 탄소 원자가 6각형 형태의 벌집 모양으로 연결된 인공 나노 물질이다. 자연에도 비슷한 물질이 있지만, 그래핀은 탄소 원자 한 층으로만 구성돼 있고 천연 물질은 적층(積層) 구조라는 점에서 다르다.

당초 그래핀은 터치스크린 같은 전자제품에 주로 사용할 수 있을 것으로 보였다. 그래핀이 투명하면서 전도성이 매우 좋기 때문이었다. 하지만 최근 그래핀의 활용 영역이 갈수록 넓어지고 있다. 그래핀의 쓰임새가 많아질수록 한국인의 노벨상 수상 가능성도 높아진다. 한국인 과학자가 세계에서 두 번째로 그래핀을 발견했기 때문이다.

◆탄소가 벌집 형태로 연결된 그래핀

두께가 고작 0.35㎚(나노미터·1㎚는 10억분의 1m)에 불과한 그래핀은 전기 전도도가 구리보다 100배 좋고 투명하기까지 하다. 이 때문에 그래핀의 첫 적용 대상으로 휴대폰과 은행 현금자동인출기의 터치스크린 장치가 꼽혔다.

▲ 그래핀은 탄소 원자가 평면에서 벌집 모양으로 연결된 나노 물질이다.

그림에서는 여러 층의 그래핀이 그려졌다. /성균관대 제공

터치스크린의 원리는 이렇다. 사람이 터치스크린 화면에 손을 대면, 투명한 화면에 흐르는 눈에 보이지 않는 전기 신호에 변화가 일어난다. 전기 신호의 변화를 감지한 기기의 내장 컴퓨터는 사람이 만진 화면에 위치한 아이콘을 작동시킨다.

지금까지는 ITO(인듐-주석산화물) 물질을 터치스크린 장치의 표면 소재로 사용했다. 하지만 그래핀은 ITO보다 전기가 잘 통하면서 휘거나 늘어나기도 하는 장점이 있다. ITO로 만든 필름은 2%만 휘어도 부서진다. 접거나 휘는 플렉시블(flexible) 디스플레이에 그래핀은 선택이 아니라 필수인 것이다.

그래핀이 ITO에 비해 가진 단점은 양산 기술이었다. 최근 성균관대 화학과 홍병희 교수팀은 30인치(76.2㎝) 터치스크린이 가능한 그래핀의 양산 기술을 개발했다. 실험실 수준의 양산이었지만 수년 내에 공장에서 대량 생산하는 것도 가능할 전망이다.

▲ 시계처럼 손목에 찼다가, 통화할 땐 펴서… 사용자가 통화를 위해 노키아가 내놓은 미래형 휴대폰 ‘모프(Morph)’를 만지고 있다. 모프는 그래핀처럼 휠 수 있는 소재만으로 제작됐다.

사용자는 평상시에는 모프를 시계처럼 손목에 감았다가(작은 사진) 전화가 오면 펼쳐 통화한다. /노키아 제공

◆그래핀으로 중금속 골라내고, 태양전지 만든다

그래핀은 환경 분야로 활용 영역을 넓히고 있다. 포스텍 화학과 김광수 교수, 황인철 교수팀은 그래핀을 활용해 독성 물질인 비소를 하천에서 99% 걸러 낼 수 있는 기술을 개발했다.

김 교수팀은 자철석에 산화그래핀을 붙였다. 자철석-산화그래핀은 크기가 10㎚에 불과한 나노 물질이다.

자철석(磁鐵石)은 강한 자성을 가지고 있어 천연자석으로 사용할 수 있다. 자철석-산화그래핀 역시 자석을 대면 달라붙는다.

자철석-산화그래핀은 비소에도 잘 달라붙기에 자철석-산화그래핀을 하천에 뿌리면 자석으로 비소를 하천에서 골라낼 수 있다. 김광수 교수는 "물속에 있는 비소를 99.9%까지 제거할 수 있다"며 "이번에 개발한 자철석-산화그래핀은 방글라데시, 파키스탄 등 비소 오염도가 높은 국가에서 매우 효과적으로 사용될 것으로 본다"고 말했다.

그래핀은 투명하기에 햇빛을 받아서 전기를 생산하는 태양전지에도 쓰인다.

미국 남가주대학(USC) 전기공학과의 총우 저우 교수팀은 태양전지용 그래핀을 개발했다고 'ACS 나노'에 최근 밝혔다. 다만 저우 교수팀이 개발한 그래핀 태양전지는 틈새 시장을 노려야 할 것으로 보인다. 기존 태양전지에 비해서 효율이 10분의 1에 불과하기 때문. 저우 교수는 "그래핀 태양전지는 휘거나 접을 수 있어서 가정의 커튼에 사용할 수 있다"며 "커튼 태양전지가 휴대폰 같은 가전제품의 전원 공급 장치가 될 수 있다"고 말했다.

◆그래핀의 가치가 올라갈수록 한국의 노벨상 수상 가능성도 커져

그래핀의 쓰임새가 터치스크린, 환경 보전, 태양전지로 넓어질수록 한국인의 노벨상 수상 가능성도 커진다.

통상 과학분야의 노벨상은 X선 발견, 인터넷 등 인류에게 획기적 변화를 일으킨 과학자에게 수여됐다. 해당 분야에서 3등 안에 들어가야 한다.

미국 컬럼비아 대학의 김필립 교수는 2005년 세계에서 두 번째로 그래핀을 발견했다. 서울대 물리학과 출신인 김 교수는 꾸준히 그래핀의 속성을 파헤쳐 작년 11월에도 국제학술지 '네이처'에 새로운 연구 성과를 발표했다. 전문가들은 그래핀으로 노벨상을 수상한다면 김필립 교수가 수상할 가능성이 높다고 전망한다.

※이 기사의 취재와 작성에는 이현수 인턴 기자(서울대 기계항공공학부 4년)가 참여했습니다.

☞그래핀(graphene)

그래핀은 탄소 원자가 벌집 모양을 이루며 연속적으로 이어진 나노 물질이다. 그래핀은 강철보다 200배 이상 강하며, 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통한다. 동시에 휘거나 늘어나기도 해 과학자들은 그래핀을 꿈의 물질이라고 부른다.

'꿈의 신소재' 그래핀 대량생산 길 열렸다

국내 연구진이 '꿈의 신소재' 그래핀을 상온에서 대량생산하는 방법을 개발했다.

교육과학기술부는 27일 성균관대학교 화학과 이효영 교수팀이 환전제를 이용하는 화학적 방법을 이용해 상온공정에서 불순물이 없는 고품질 그래핀을 대량 생산할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.

그래핀은 실리콘에 비해 전자 이동이 100배 이상 빠르고 휘거나 비틀어도 깨거나 부서지지 않는 신소재로 지금보다 수백 배 이상 빠른 반도체를 만들 수 있는 차세대 전자소재로 각광받고 있다.

그래핀을 이용하면 셀로판지처럼 얇은 두께의 컴퓨터 모니터나 시계처럼 찰 수 있는 휴대폰을 만드는 것도 가능해진다.

그래핀은 종이처럼 접거나 휠 수 있으며, 전자 이동 속도도 실리콘에 비해 100배 이상 빠르다.

그래핀을 대량 생산하려면 환원제를 이용하는 화학적 방법을 사용해야 하는데, 지금까지는 섭씨 120도의 고온 공정이 필요하고 불순물이 남는 등 품질이 떨어지는 단점이 있었다.

그러나 이 교수팀은 섭씨 40도의 상온에서 불순물이 거의 없는 품질 좋은 그래핀을 합성하는데 성공했다.

지금까지 일부 미국회사에서만 생산되던 고품질 그래핀을 우리나라에서도 대량 생산할 수 있게 된 것. 이번 연구 성과는 우리나라가 차세대 전자재료산업 강국으로 발전할 수 있는 기반을 마련한 것으로 평가된다.

이효영 교수는 "그래핀은 기존 실리콘 반도체에 비해 정보처리속도를 획기적으로 높여줄 수 있는 소재"라며 "초고속반도체나 고성능 태양전지개발 등 다양한 분야에서 역할을 할 것"이라고 말했다.

이번 연구는 과학전문지인 '네이처'의 자매지 '네이처 커뮤니케이션' 22일자 온라인 속보로 게재됐다. 
 

아시아경제

꿈의 신소재 `그래핀` 전자구조 규명

국내연구진 논문 네이처에 게재

꿈의 신소재로 각광받고 있는 `그래핀(graphene)'의 전자구조가 국내 연구진에 의해 규명돼 세계 3대 과학 저널 가운데 하나인 네이처(Nature)지에 실렸다.

지난 9일자 네이처에 실린 논문은 국양 서울대 물리ㆍ천문학부 교수와 송영재 미국표준기술연구원(NIST) 박사후 연구원이 `초고진공 주사형 터널링 현미경'으로 그래핀 안의 전자 구조를 고해상도로 측정해, 높은 자기장 안에서 그래핀이 네가지 준위의 전자 상태로 분리되는 것을 처음 확인했다는 내용이다. `초고진공 주사형터널링 현미경'은 송 연구원이 NIST에서 지난해 직접 제작한 것이다.

그래핀은 탄소를 6각형의 벌집모양으로 층층이 쌓아올린 구조로 이뤄져 있는 흑연(연필심)에서 가장 얇게 한 겹을 떼어낸 것으로, 탄소로 구성된 나노물질이다.

2차원 평면형태를 갖고 있으며, 두께는 0.2nm(1nm은 10억 분의 1m) 즉 100억 분의 2m 정도로 엄청나게 얇으면서 물리적ㆍ화학적 안정성는 높다. 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체로 주로 쓰이는 단결정 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있다. 강도는 강철보다 200배 이상 강하며, 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높다. 또 탄성이 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않는다. 이런 특성으로 인해 그래핀은 차세대 신소재로 각광받는 탄소나노튜브를 뛰어넘는 소재로 평가받으며 `꿈의 나노물질'이라 불리고 있다.

송영재 연구원은 "매우 높은 에너지 해상도를 갖고 그래핀의 전자 구조를 가장 자세하게 밝혀 냈다"며 "그동안 이론적으로만 예측 됐던 1개 란다우 준위내에서 축퇴돼 있는 4개의 전자 상태를 공간적으로, 에너지적으로 모두 측정을 하고, 이에 대한 스핀 축퇴와 유사 스핀 축퇴를 모두 구분해 냈다"고 밝혔다.

송 연구원은 이어 "물리학의 다체계 현상도 그래핀 내에서 확인이 됐다"며 "아직까지 이론적으로 예측이 안 됐고 원인을 정확히 밝혀내지 못한 1/2 프랙셔널(fractional) 양자 상태를 첫 측정했고 이에 대한 후속 연구를 계속 하고 있다"고 설명했다.

한편 송 연구원은 한국전지연구조합 상근 임원인 송명호 사무국장의 장남으로 서울대 물리학과를 졸업하고 NIST에서 박사후과정을 밟고 있다.

이연호기자 dew9012@

디지털타임스

신소재 그래핀 극초저온 현상 관측

효율적 초소형ㆍ초고속 소자 가능성 제시

(서울=연합뉴스) 김영섭 기자 = 국내 연구진이 '꿈의 신소재'라 불리는 그래핀의 전자구조를 명쾌하게 밝혀 그래핀을 이용해 열 손실이 적은 초소형ㆍ초고속 소자의 제작이 가능하다는 점을 물리적으로 증명했다.

9일 서울대(총장 오연천)에 따르면 서울대 물리천문학부 국 양 교수팀은 미국 표준기술연구원과 공동연구를 통해 절대영도보다 0.01도 높은 극초저온 주사형 터널링현미경을 이용, 그래핀의 전자 구조를 극초저온ㆍ초고자기장에서 측정하는 경우 한 준위에 축퇴된 전자 준위가 넷으로 갈라지는 현상을 최초로 관측했다.

연구진은 이번 관측으로 그래핀의 전자가 질량이 없는 상대론적인 운동을 하고 에너지에 무관하게 속력이 같다는 기존 이론이 정확함을 증명, 소자 설계 등에 응용할 수 있는 가능성을 제시했다.

축퇴(縮退)란 양자역학에서 하나의 에너지 준위에 대해 두 개 이상의 상태가 존재하는 것을 말한다.

탄소로 이뤄진 흑연(Graphite)은 층상 구조로 한 층씩 벗겨낼 수 있다. 이 흑연 단층만을 벗겨낸 단 원자층 흑연을 과학자들은 2004년 처음으로 분리해낼 수 있었고, 이를 그래핀(Graphene)이라고 부른다.

이론 물리학자들은 그래핀의 전자 구조는 아주 특이한 현상을 갖는다고 예측했고 이를 정확하게 이해하기 위해서는 고자기장, 극초저온에서 측정할 필요성이 제기돼왔다.

이에 미국표준기술연구원은 세계에서 가장 온도가 낮은 절대온도 0.01도, 지구 자기장의 30만배인 15테슬라에서 작동하는 초고진공주사형터널링현미경을 작년 초 설계 제작 후 완성, 이번 연구성과로 이어지게 됐다.

지난 47년 게르마늄을 이용한 트랜지스터가 발명된 후, 실리콘 소자의 집적화로, 전자소자의 고성능화를 이루고 전자시대를 가져왔다.

하지만 앞으로는 그래핀이 초고속 소자, 다기능 소자, 센서, 투명 전극으로 응용될 것이 예측된다고 연구진은 전했다.

한편 이번 연구결과는 국제적 권위지 네이처 최신호에 게재됐다.