애리조나대 연구팀, 그래핀 나노리본의 감마방사선 감지 특성 첫 확인

개념 증명 실험의 핵심 결과

연구팀은 분자 빔 에피택시 공정으로 폭 9원자, 두께 1원자, 평균 길이 약 45나노미터 크기의 그래핀 나노리본을 합성한 뒤 일반적인 반도체 소자에 집적해 감마방사선에 노출했다. 나노리본의 원자 격자 구조는 훼손되지 않은 상태에서 전기적 특성만 크게 달라진 것이 확인됐다. 이 결과는 학술지 ACS Applied Materials & Interfaces에 게재됐으며, 책임저자는 재료공학과 조교수 Zafer Mutlu이고 공동 제1저자는 박사후연구원 Kentaro Yumigeta와 박사과정생 Muhammed Yusufoglu다.

양자역학적 메커니즘: 앤더슨 국소화

연구팀은 이 전기 특성 변화의 원인으로 앤더슨 국소화(Anderson localization)를 제안한다. 감마방사선이 주변 공기와 반응해 생성된 반응성 분자들이 나노리본 가장자리를 미세하게 변형시키고, 나노미터 스케일에서는 양자역학적 효과가 이 미세한 변화를 증폭시킨다는 설명이다. 앤더슨 국소화는 전하 운반 전자들을 특정 위치에 가두어 전류 흐름을 급격히 줄이는 현상으로, 이것이 방사선 노출을 나타내는 측정 가능한 신호로 기능할 수 있다는 것이다. 나노리본은 고전역학이 아닌 양자물리학 법칙에 따라 거동하기 때문에, 가장자리의 미세 변화조차 전기 신호 수송에 큰 영향을 미친다.

핵융합로 적용 가능성

현재 핵융합로에서 쓰이는 실리콘 기반 방사선 센서는 초고온 연료와 구조물 사이의 내벽(first wall) 안쪽 환경을 견디지 못해 외벽 바깥에 설치되며, 간접 측정에 의존한다. GNR 기반 센서는 이 한계를 극복해 반응로 핵심부에 더 가까이 배치되어 내벽 열화를 실시간으로 감시할 가능성을 제공한다. 이는 핵융합로의 점검·유지보수를 위한 가동 중단 횟수와 비용을 줄이는 데 기여할 수 있다. 핵융합 분야는 2022년 이후 투입 레이저 에너지를 상회하는 에너지 생산 실험을 달성했으나 여전히 다수의 공학적 장벽이 남아 있으며, 실시간 내벽 모니터링이 그 중 하나다.

우주 시스템 및 반도체 칩 응용

연구팀은 핵융합 이외에도 통신위성, 지구관측위성, 심우주 탐사선의 방사선 열화 조기 감지 수단으로서의 활용 가능성도 제시한다. 나노리본의 크기와 구조를 원자 수준에서 설계·조정할 수 있다는 특성은 방사선 내성 반도체 칩 개발과도 연결된다. 민감도를 높이거나 낮추고, 또는 방사선에 무감하게 조정하는 것도 원리적으로 가능하다는 점에서 응용 범위가 넓다.

향후 계획과 현재 한계

본 연구는 개념 증명 단계이며, 다양한 방사선 선량이나 다른 크기의 나노리본에 대한 체계적인 검증은 아직 수행되지 않았다. 연구팀은 후속 연구에서 선량 범위 확대와 나노리본 설계 다양화를 통해 민감도 조정 가능성을 확인할 계획이다. 연구는 반도체연구협회(Semiconductor Research Corporation)와 미국 국립과학재단(NSF) 지원을 받았다.