그래핀 발광소자의 모습(선폭 3 ㎛, 길이 7 ㎛ 수준으로 제작된 그래핀 소자)/사진=표준硏


국내 공동 연구팀이 원자 한층 두께의 그래핀을 이용해 고효율 가시광 발광소자를 세계 처음으로 개발했다.

이번 연구는 한국표준과학연구원 배명호 박사, 서울대 물리천문학가부 박윤 교수, 김영덕 박사가 교신저자로, 건국대 김학성(박사과정), 서강대 조유진(석사과정), 서울대 류지훈씨(박사과정)가 제1저자로 참여했다.

꿈의 신소재로 불리는 '그래핀'은 높은 전도도와 열전도율, 신축성과 투명성을 가지고 있기 때문에 차세대 발광소자로 개발하기 위한 다양한 시도가 이뤄지고 있다.

그래핀 소자의 개념도, 그래핀의 양 전극에 전압을 인가하면 빛이 발생함/사진=표준硏

공동연구팀은 전구의 필라멘트처럼 그래핀을 공중에 띄우는 방법을 이용해 세상에서 가장 얇은 원자 한 층 두께의 (0.3 nm) 그래핀 자체가 스스로 빛을 낼 수 있다는 것을 확인했다.

기본적으로 물체에 전압을 인가해 전자를 이동시킬 때, 전자 에너지는 빛 또는 열에너지로 변환되는 데, 그래핀에선 전환된 열에너지가 다시 전자들을 뜨겁게 해 빛을 만들어 낸다.

종전까지는 그래핀을 기판 위에 올려놓고 전류를 흘려보냈기 때문에 대부분의 전자에너지는 기판의 열에너지로 전도돼 빠져나가게 돼 효율적으로 그래핀 내부의 전자의 온도를 높일 수 없었다.

연구팀은 이 문제 해결을 위해, 공중에 떠 있는 수 마이크로미터(㎛) 사이즈의 그래핀을 제작하고, 수 볼트의 전압을 가한 결과, 내부 전자의 온도가 3,000켈빈(K)까지 올라가 매우 밝은 가시광선을 방출한다는 것을 실험적으로 증명했다. 태양의 표면온도가 6000K이므로 매우 밝은 빛임을 짐작할 수 있다.

또 그래핀과 기판과의 거리를 조절하면 눈으로 볼 수 있는 다양한 색 구현이 가능하다는 것도 밝혀냈다.

발광현상을 확대한 모습/사진=표준硏

이는 그래핀에서 방출된 빛이 기판바닥으로부터 반사돼 나온 간섭효과(빛·소리 파동이 둘 이상 포개져 힘이 강해지거나 약해지는 효과)에 의해 기인한 것이다.

기판으로부터 1000nm 정도로 띄워진 그래핀에 수 볼트의 전압을 인가하면 노랑색 파장의 빛이 방출되며, 900nm 이하 수준으로 띄워진 그래핀에서는 붉은색 파장의 빛이 방출된다.

(왼쪽부터)서울대 물리천문학가부 박윤 교수, 한국표준과학연구원 배명호 박사, 김영덕 박사/사진=표준硏

김영덕 박사는 "그래핀을 다른 물질과 결합시켜 발광소자로서의 가능성을 제시한 사례는 있으나 그래핀 자체가 밝고 다양한 빛을 구현할 수 있음을 밝힌 것은 이번이 처음"이라며 "변형에 유연하고 경제성이 뛰어난 그래핀의 성질을 적절히 이용하면 투명 플랙서블 디스플레이 및 광컴퓨터의 개발이 가능하다"고 말했다.

이번 연구성과는 '네이처 나노테크놀로지' 16일 온라인판에 게재됐다.

류준영 기자 joon@mt.co.kr

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