국내 연구진이 탄소 원자가 6각형 벌집 모양으로 결합해 원자 한 개 층 두께의 막을 이루는 그래핀만으로 다양한 색을 구현할 수 있는 가시광원을 처음으로 개발했다.

한국표준과학연구원(원장 신용현, KRISS) 배명호 박사·서울대 물리천문학부 박윤 교수·김영덕 박사팀은 15일 전구의 필라멘트처럼 그래핀을 공중을 띄우는 방법으로 원자 한 개 층 두께의 그래핀 자체만으로 빛을 낼 수 있다는 것을 확인했다고 밝혔다.

이 연구 결과는 과학저널 '네이처 나노테크놀로지'(Nature Nanotechnology, 6월 15일자) 온라인판에 게재됐다.  

그래핀은 높은 전기전도도와 열전도율, 신축성, 투명성 등을 갖춰 차세대 발광소자로 개발하려는 다양한 연구가 진행되고 있다.  

연구진은 실리콘 기판 위에 실리콘산화물로 깊이 300∼1000㎚의 홈을 만든 다음 그 사이에 0.3㎚ 두께의 그래핀을 걸쳐 놓고 전류를 흘려주면 그래핀 중간부터 가열되면서 빛을 낸다는 사실을 밝혀냈다.  

물체에 전류를 흘려주면 전자의 에너지가 빛 또는 열에너지로 변환되는데 그래핀에서는 열에너지가 다시 전자들을 뜨겁게 해 빛을 내게 된다. 종전까지는 그래핀을 기판 위에 올려놓고 전류를 흘려보냈기 때문에 대부분 전자에너지는 기판의 열에너지로 빠져나가 그래핀 내부 전자의 온도를 효율적으로 높일 수 없었다. 

그러나 연구진은 이 이 연구에서 공중에 떠 있는 수㎛ 크기의 그래핀을 만든 다음 수볼트의 전압을 가하면 내부 전자의 온도가 2727℃까지 높아지면서 밝은 가시광선을 방출한다는 사실을 실험으로 증명했다.  

공중에 띄워진 그래핀에 전압을 가하면 열이 기판으로 빠져나가지 않아 쉽게 가열되고, 높은 온도에서는 그래핀의 열전도도가 상온의 수십분의 1로 작아져 열이 국소적으로 갇히면서 온도가 더욱 상승하게 된다.  

연구진은 또 그래핀과 실리콘 기판의 거리를 조절하면 다양한 색을 구현할 수 있다는 사실도 밝혀냈다. 이는 그래핀에서 방출된 빛이 기판바닥으로부터 반사돼 나오는 간섭효과에 의한 것으로 그래핀과 기판 거리가 1천㎚일 때는 노란색, 900㎚ 이하일 때는 붉은색 빛이 방출된다.

KRISS 양자측정센터 배명호 박사는 "공중에 떠있는 그래핀에 수볼트의 전압을 걸어주면 그래핀 내부 전자의 온도가 태양표면 온도의 절반 수준인 절대온도 3000K(켈빈)에 이르게 돼 매우 밝은 빛을 낸다"고 설명했다.  

서울대 김영덕 박사는 "그래핀을 다른 물질과 결합해 발광소자로서의 가능성을 제시한 사례는 있으나 그래핀 자체가 밝고 다양한 빛을 구현할 수 있음을 밝힌 것은 처음"이라며 "유연하고 경제성이 뛰어난 그래핀의 성질을 적절히 이용하면 투명 플랙서블 디스플레이 및 광컴퓨터의 개발이 가능할 것"이라고 말했다.