스웨덴 과학자들은 단일 원자층으로 구성된 아주 얇은 박막의 금 소재를 개발했다.

이 새로운 물질은 '골덴'이라고 명명되었으며 반도체 특성을 지니고 있다.

과학 전문매체 사이언스 얼럿은 스웨덴 린쇼핑 대학교(Linköping University) 연구원들은 금을 더 이상 얇아질 수 없는 원자 1개 두께의 납작한 박막 시트 형태로 만들어내는 새로운 방법을 개발했다며 지난 16일(현지시간) 이같이 보도했다.

재료 과학의 명명 관습에 따라 연구팀은 이 새로운 2차원 물질에 '골덴(goldene)'이라는 이름을 붙였다. 골덴은 3차원 형태의 금에서는 볼 수 없는 몇 가지 흥미로운 특성을 가지고 있다.

스웨덴 린쇼핑 대학교의 재료 과학자 슌 카시와야는 "그래핀처럼 물질을 매우 얇게 만들면 놀라운 일이 일어난다"며 "금도 마찬가지다. 아시다시피 금은 보통 금속이지만, 단일 원자층 두께로 만들면 금이 반도체가 될 수 있다"라고 설명했다.

금은 서로 뭉치는 경향이 있기 때문에 2차원 구조로 동축하는 것은 매우 어렵다. 이전의 시도는 몇 원자 두께의 얇은 시트를 만들거나 다른 물질 사이에 또는 그 위에 단층을 끼워 분리할 수 없는 결과를 낳았다.

카시와야와 연구팀은 금을 만들려고 시작한 것이 아니라 우연히 공정의 첫 단계를 발견하게 됐다고 전했다.

린쇼핑 대학교의 나노 공학 분야의 연구를 이끌고 있는 재료 물리학자 라르스 튈트만(Lars Hultman)은 "우리는 완전히 다른 응용 분야를 염두에 두고 기본 재료를 만들었다"면서 "우리는 실리콘이 얇은 층으로 이루어진 티타늄 실리콘 카바이드라는 전기 전도성 세라믹으로 시작했다. 그런 다음 이 소재를 금으로 코팅해 접촉을 만드는 것이 아이디어였다. 하지만 부품을 고온에 노출시켰을 때 실리콘 층이 기본 재료 내부의 금으로 대체됐다"라고 설명했다.

튈트만 교수는 금속 나노구조의 합성 및 특성 연구에 선구자적인 역할을 했다. 특히, 금속 나노입자, 나노선, 나노막 등 다양한 금속 나노구조를 합성하고, 그들의 광학적, 전기적, 촉매적 특성을 연구해 다양한 응용 분야에 활용 가능한 새로운 재료를 개발하는 데 기여했다.

앞서 연구팀은 단층 금을 만들려는 시도에서 중요한 단계에서 한계에 도달해 연구 과정이 중단됐다. 몇 년 동안 연구팀이 만든 인터칼레이티드 티타늄 금 카바이드는 티타늄과 탄소 층 사이에 있는 초박막 금 층을 추출할 방법이 없어 그냥 그 상태로 남아있었다.

이에 연구팀은 무라카미 시약이라는 에칭 용액에 기반한 기술을 사용해 지난 연구의 한계를 돌파했다.

무라카미 시약은 금속 가공에 사용되는 화학 물질의 혼합물로, 탄소를 에칭하고 강철을 얼룩지게 하여 일부 일본 칼에서 볼 수 있는 무늬를 만들어낸다.

연구팀은 혼합물의 농도와 에칭 공정이 금을 둘러싼 티타늄과 탄소를 부식시키는 시간대를 다르게 시도했다.

무라카미 시약의 에칭 효과는 페로시아나이드 칼륨이라는 부산물을 생성한다. 이 화합물은 빛에 노출되면 시안화물을 방출하여 금을 녹이기 때문에 연구팀은 에칭 공정을 완전히 어둠 속에서 진행해야 했다.

게다가 얇은 금 시트는 말리거나 뭉치는 경향이 있었다. 이에 연구팀은 층이 접히거나 달라붙는 것을 방지하는 계면활성제를 추가해 금의 단일 원자층의 무결성을 유지했다.

연구팀은 이론적 시뮬레이션에서 예측한 대로 이 까다로운 단계를 거쳐 마침내 안정적인 금을 형성하는 데 성공했다.

이번 연구는 학술지 '네이처 신티시스(Nature Synthesis)'에 게재됐다.

일반적으로 금은 우수한 전기 전도성 물질이다. 원소가 2차원 시트 형태를 취할 때 원자는 두 개의 자유 결합을 가지며 도체와 절연체 사이의 전도 특성을 가진 반도체로 변모한다. 이는 전도도를 조절할 수 있기 때문에 유용하다.

다시 말하면, 전기 전도성이 우수하고 부식에 강한 금은 반도체 소자의 접점, 연결 부품, 패키징 등에 사용된다. 

금은 나노 크기의 입자로 제조될 수 있으며, 이러한 금 나노 입자는 차세대 반도체 소자의 제작에 활용될 수 있다. 예를 들어, 금 나노 입자는 트랜지스터의 게이트 전극, 메모리 소자의 저장 매질, 광전자 소자의 광 감지 소자 등으로 사용될 수 있다.

게다가 금은 생체 적합성이 우수하고 전기 전도성이 높기 때문에 생체 의료 분야에서 사용되는 뇌-컴퓨터 인터페이스, 심장 박동기 리드, 인공 근육 등의 전극 소재로 활용될 수 있다.

그러나 금은 높은 비용과 가공의 어려움, 제한된 반도체 특성 등의 단점도 존재한다. 금은 반도체 특성이 제한적이기 때문에 고성능 트랜지스터 제작에는 적합하지 않다.