그래핀 양자점 집대성한 획기적 연구
LED, 태양전지, 메모리, 광 검출기 활용 계기

경희대학교 국제캠퍼스 응용물리학과 최석호 교수 연구팀의 연구 결과가 지난 8월 12일 미국화학회가 발행하는 세계적 나노과학 저널 <ACS Nano> 인터넷 판에 게재됐다. 최석호 교수는 '그래핀 양자점의 비정상적인 발광 특성: 크기와 모양의 복합적인 작용{Anomlous behaviors of visible luminescence from graphene quantum dots: Interplay between size and shape)'을 통해 그래핀 양자점의 크기에 따른 모양과 끝자리 상태 변화 및 이에 대한 양자점의 발광에너지 의존성을 세계 최초로 규명했다.

2004년 발견돼 미래 나노신소재로 주목 받고 있는 그래핀(graphene)은 탄소 원자가 벌집 모양의 육각형 형태로 연결된 2차원 평면 구조를 이루는 물질이다. 0.34nm 두께로 매우 얇고 투명하며 화학적 안전성과 전기 전도성이 뛰어나다. 특히 신축성이 좋아서 늘이거나 접어도 전기 전도성을 잃지 않아 '꿈의 나노물질'로 불린다. 그래핀을 이용하면 휘어지는 액정화면 구현이 가능하여 디스플레이 화면, 태양전지 등에 광범위하게 활용할 수 있다.

최석호 교수는 이번 연구에서 화학적 산화 그래핀 박리법으로 그래핀의 나노조각인 그래핀 양자점을 크기에 따라 제작하고 전자투과 현미경으로 분석, 그래핀 양자점이 크기에 따라 모양과 둘레 끝자리가 변화된다는 것을 밝혀냈다. 그래핀 양자점이 원형 상태에서는 둘레 끝자리가 지그재그(zigzag) 형태와 안락의자(armchair) 형태가 섞여서 존재하지만 크기가 커짐에 따라 다각형으로 변화되면 둘레 끝자리가 안락의자 형태로 변하는 것을 발견한 것이다.

 
또한 일반적으로 '양자점이 커지면 빛 에너지는 줄어든다(양자가둠 효과)'고 알려져 있지만, 최 교수는 광루미네센스(photoluminescence) 분석을 통해 그래핀 양자점의 발광에너지를 측정, 그래핀 양자점의 크기와 끝자리 상태에 따라 발광에너지의 크기가 변화한다는 것 또한 알아냈다. 즉 그래핀 양자점의 형태가 원형을 유지할 때는 빛 에너지가 감소하지만 다각형으로 변형된 후 그 크기가 커지면 빛 에너지가 증가하게 된다는 점을 밝혀낸 것이다.

최석호 교수는 "그래핀 양자점 분야의 연구는 최근 1, 2년 정도 진행된 초기 연구 단계인 만큼 밝혀진 내용이 적다"며, "이런 점에서 이번 연구는 그래핀 양자점을 집대성한 획기적인 연구라는 점에서 자부심을 갖고 있다"고 전했다. 아울러 "그래핀 양자점을 LED, 태양전지, 메모리 및 광 탐지기 등 투명하고 휘어지는 광 전자소자 및 디스플레이에 다양한 방식으로 활용할 수 있는 계기를 마련한데 이번 연구의 의의가 있다"고 말했다.

최석호 교수는 지난 2010년 9월 15일 그래핀(graphene)의 광증폭 작용을 세계 최초로 규명, 미국 물리학회가 발행하는 물리학 분야 세계 최고 저널인 <피지칼 리뷰 레터스(Physcal Review Letters)> 인터넷 판에 게재하는 등 국내외 SCI 등재저널에 130편의 논문을 발표해왔다. 또한 그래핀을 비롯한 나노구조 물리학 부문에서 우수한 연구 성과를 성취, 지난해 제87회 한국물리학회상 학술상을 수상했다. 최 교수는 이와 같은 공로를 인정받아 2009년에 이어 올해 두 번째로 경희 Fellow에 임명된 바 있다.

최석호 교수는 그동안 반도체와 금속 나노구조의 메모리 연구를 해왔으며 반도체와 그래핀의 융합구조에 관심을 갖고 있다. 최 교수는 "앞으로 메모리, LED, 태양전지, 광 검출기 등 빛과 관련된 전 분야의 나노 광전자 소자에 응용 가능한 연구를 수행하는 것이 목표"라고 향후 연구 계획을 전했다.