전자석 특성을 가지는 그래핀 나노코일

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KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-10-21
전자기기를 소형화하는 과정에서, 솔레노이드(solenoid)의 부피는 너무 크다. 이에 라이스 대학(Rice University) 과학자들은 나노 크기로 소형화하면서도 원래 크기에서의 성능을 가지는 필수불가결한 부품을 개발하였다. 핵심은 원자 두께의 얇은 그래핀이 나선형 형태로 꼬인 것으로 특이하게도 자연에서 발견되는 형태라고 라이스 대학 이론물리학자인 Boris Yakobson은 소개하고 있다. 보통 과학자들은 만드는 것이 가능한 것으로 생각되는 재료의 특성을 결정하지만, 이번에는 이미 존재하는 형태(configuration)를 관찰하는 것부터 시작하였다고 연구팀은 밝혔다. 나선 전위(screw dislocations) 혹은 나선형(spirals)은 흑연이 성장하는 과정에서 자연적으로 나타나며, 일반적인 석탄에서 발견되기도 한다. 연구팀은 전압을 인가하였을 때, 전류가 나선형 경로 주위에 발생하면서 자기장을 형성한다는 것을 확인하였다. 마치 거대한 인턱터(inductor)-솔레노이드에서 보이는 현상과 같은 것이다. 본 발견은 Nano Letters ("Riemann Surfaces of Carbon as Graphene Nanosolenoids")지에 상세히 게재되었다. 비유하자면, 주차공간이 없는 주차타워 구조를 생각해 볼 수 있다. 전자는 어쩔 수 없이 통과해야만 한다. 아니면 물을 상부로 퍼올리기 위해 회전하는 아르키메데스 스크류(Archimede’s screw)와도 유사하다. 단지 물이 아닌 전기로 채워져 있는 상황이다. 본 연구에서는 반대로, 전압에 의해 전자 전류가 특정 조건에서 마치 고속의 작은 전기터빈처럼 나선형 그래핀을 회전하게 만든다. 솔레노이드는 금속 코어 주위에 전선을 감아놓은 것으로, 전류가 흐르면 자기장을 생성함으로써 전자석(electromagnet)이 된다. 솔레노이드는 전기회로와 같은 전자기기에서 자동차의 변압기와 같은 기계장치에 이르기까지 널리 사용되고 있다. 또한 전기회로에서 전류를 조절하는 일차적인 부품인 인덕터의 기능을 수행하며, 가장 작은 형태가 집적회로(integrated circuits)이다. 트랜지스터는 점차적으로 소형화되고 있지만, 전자기기의 기본적인 인턱터는 상대적으로 부피가 크다. 실리콘 상의 상업용 나선형 인턱터는 상당한 부피를 차지한다. 만약 소형화가 실현된다면, 그래핀 나노-솔레노이드는 큰 변화를 일으킬 것이라고 본 연구를 이끈 Fangbo Xu는 밝혔다. 나노-솔레노이드는 라이스 대학의 컴퓨터 모델을 통해 분석되었으며, 약 1테슬라 정도의 강력한 자기장을 생성할 수 있는 것으로 나타났다. 이것은 보통의 스피커에서 사용되는 코일의 성능과 유사하다. 연구팀은 자기장이 나선형 중심부의 나노미터 폭의 속이 빈 공간에서 가장 강력하다는 것도 발견하였다. 나선형 형태는 단순한 위상적 관계에 의해 형성된다. 그래핀은 탄소 원자로 이루어진 육각형 어레이 형태이다. 한 쪽 모서리에 형성된 변위(dislocation)라고 알려진 잘못 형성된 육각형은 그래핀이 꼬이도록 하는데, 마치 리만 곡면(Riemann surface)으로 알려진 수학적 형태를 모방한 나노리본과 유사하다. 연구팀은 이론적으로 나노-솔레노이드에서 안락의자 형태 혹은 지그재그 형태의 모서리를 가진 육각형을 통해 에너지가 어떻게 흐르는지 보여주었다. 지름이 205 마이크론인 나선형 인턱터의 성능이, 천 만 배 정도 작은 70나노미터 폭의 나노-솔레노이드와 유사한 것으로 나타났다. 그래핀은 재료에 반도체 특성을 부여하는 에너지 밴드 갭이 없기 때문에, 전기는 어떤 방해도 받지 않고 그래핀을 통과할 수 있다. 그러나 사실 나선의 폭 및 모서리의 형태는 안락의자 형태이든 지그재그 형태이든 전류의 분포에 영향을 미치며, 결국 전기의 유도특성도 변화시킨다. 연구팀은 흑연의 탄소 결정으로부터 그래핀 스크류 변위를 유도할 수도 있지만, 그래핀 시트에서 나선형으로 성장시키는 것이 원하는 특성 조절에 더 용이하다고 제안하였다. 또한 나노-솔레노이드는 분자 릴레이(molecular relays) 혹은 화학 탐침에서 자기 분자 혹은 라디칼을 포획하는 데에도 사용될 수 있을 것이라고 제안하였다. 그림> 그래핀으로 만든 나노코일로 전자분야에서 효과적인 솔레노이트 인덕터로 활용이 가능하다. nanocoil.jpg http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=41628.php