우리 학교 신소재공학과 김상욱 교수팀이 그래핀을 개질해 DNA를 이용한 나노 패터닝 기술이 가능함을 입증했다. 이 연구는 화학 분야 세계적인 학술지 <앙게반테 케미> 1월 표지논문으로 선정되었다.

선폭 경쟁, 한계 다가와

반도체 기술 경쟁은 누가 더 미세하게 공정을 다루느냐가 승패를 결정한다고 해도 과언이 아니다. 회로의 선폭을 줄일수록 같은 면적에 회로를 더 집적할 수 있기 때문이다. 현재 회로 무늬를 형성하는데 이용하는 광식각 기술로는 현재 20여nm 정도의 회로 무늬를 형성할 수 있다. 하지만 이 기술은 이미 한계에 부딪히고 있는 실정이다.

미세 공정의 실마리, 자기조립

이런 한계의 해결책으로 제시되는 것이 고분자의 자기조립(self-assembly) 능력이다. 생체분자는 스스로 패턴을 형성하는 능력이 있다. 이를 모방해, 고분자가 스스로 회로 무늬를 형성하도록 제작하면 광식각 기술의 한계를 뛰어넘을 수 있다. 현재로서는 고분자의 자기조립 능력을 이용한 회로 무늬의 선폭은 11nm가 한계일 것으로 예견된다.

DNA 사슬접기로 회로 무늬를 형성

고분자를 이용한 자기조립능력의 한계를 극복하기 위한 후보로 거론되는 것이 바로 DNA다. 이미 미국에서는 DNA의 자기조립능력을 조절하는 ‘DNA 사슬접기’ 기술이 개발되었다. 긴 DNA와 이에 각각 상응하는 짧은 DNA를 염기서열 규칙에 따라 결합하면 원하는 방향과 모양으로 DNA를 접을 수 있다. 종이를 접어서 스테이플러로 찍듯이, 긴 DNA를 짧은 DNA로 고정하는 것을 상상하면 비슷하다.

기판 종류에 한계 있는 DNA 사슬접기

문제는 DNA 사슬접기를 하기 위한 기판으로 실리카나 운모와 같이 평평하고 이온을 가질 수 있는 제한된 재질만 이용할 수밖에 없다는 점이다. DNA 가닥이 얇아서 평평하지 않은 기판 위에서는 사슬접기를 조절하기 힘들고, 이온을 갖지 못하면 전하를 띄는 DNA를 흡착하기 어렵기 때문이다.
따라서 기존의 DNA 나노 회로 무늬를 반도체처럼 이용하려면, 회로 무늬를 형성한 DNA에 탄소나노튜브나 금속나노입자를 붙이는 방법밖에 없었다. 김 교수팀은 DNA 사슬접기를 그래핀 기판에서도 할 수 있다는 것을 보여, 반도체로서의 새로운 가능성을 연 것이다.

질소 도핑해 그래핀 성질 바꿔

그래핀은 흑연 한 층을 벗겨 낸 물질로서, 전기 전도도가 높고 유연한 신소재다. 어떤 물질이 잘 흡착되는지는 표면장력에 의해 결정되는데, 탄소는 표면장력이 낮아서 그래핀에 DNA 등 다른 물질을 붙일 수 없다. 김 교수팀은 환원 그래핀 산화물을 만드는 과정에서 질소를 도핑해 문제를 해결했다. 질소는 탄소보다 전자가 한 개 더 많아, 그래핀에서 탄소 몇 개가 질소로 치환되면 그래핀의 전기적 활성이 좋아질 뿐 아니라 금속이온과도 잘 흡착된다. 그래핀이 금속이온과 잘 흡착되면 양전하를 띄게 되므로 DNA와도 흡착이 잘 된다.

그래핀을 이용한 반도체 가능성

김 교수팀은 각각 그래핀 산화물, 질소를 도핑한 환원 그래핀 산화물, 환원 그래핀 산화물, 순수한 그래핀에 마그네슘 이온과 DNA 사슬접기가 흡착되는지를 관찰했다. 실험 결과, 그래핀 산화물과 질소를 도핑한 환원 그래핀 산화물에만 마그네슘 이온과 DNA 사슬접기가 잘 흡착된 것을 확인했다.
산화된 그래핀은 전기 전도성이 거의 없어 큰 의미가 없는데 반해, 질소를 도핑한 환원 그래핀은 전기적 활성을 띄면서도 DNA가 잘 흡착된다는 점이 중요하다. DNA도 음전하를 띄므로, 그래핀에 흡착된 부분만 전기적 활성이 변한다. 이를 이용하면 기존처럼 탄소나노튜브나 금속나노입자를 흡착시키지 않아도, 기판 자체가 회로 역할을 수행할 수 있다. 그래핀이 유연한 기판이라는 장점도 있다.

김상욱 교수는 “아직 정밀한 회로 무늬 형성 기술은 연구가 더 필요하다”라며, “DNA 사슬접기의 회로 무늬를 한 가닥씩 위치를 조절해, DNA의 굵기인 2nm까지 회로를 구성하는 것이 궁극적인 목표다”라고 밝혔다.