서울대(총장 이장무)는 재료공학부 김기범 교수 연구팀이 나노 포어 구조를 안정적으로 제작해 이온의 흐름을 전기적으로 제어할 수 있는 '나노포어 이온 트랜지스터' 소자를 개발하는 데 성공했다고 26일 밝혔다.

나노 포어는 나노 기술을 이용해 바이오 분자를 조절 또는 분석하기 위한 최적의 방법으로, 향후 DNA의 염기서열 분석, 단백질 분류, 이온의 선택적 흐름을 가능하게 할 것으로 기대되고 있는 기술이다.

그러나 기존의 나노 포어 제작 공정은 매우 느리고 불균일하며, 대면적 공정이 불가능한 방법이었다. 김 교수 연구팀은 이번 연구를 통해 이런 나노 포어 기술의 한계를 크게 개선했다는 평가를 받고 있다.

연구팀은 원자층 증착 공정을 통해 1~2nm(nm=10억분의 1m) 수준의 나노 포어 구조의 제작 방법을 제시했으며, 연구 결과는 미국 화학회지인 '나노 레터(Nano Letters)' 5월판에 게재됐으며, NPG(Nature Publishing Group) Asia Materials 7월판 하이라이트 연구결과로 선정됐다.

연구팀은 100nm 두께의 멤브레인 구조에 전자빔 리소그래피와 원자층 증착 공정을 이용해 나노 포어를 제작하는 공정을 개발했다. 또 멤브레인 내부에 금속층을 삽입해 게이트가 존재하는 트랜지스터 구조를 제작했다.

이를 통해 나노 포어 벽의 표면 전하를 전기적으로 조절하는 것이 가능하게 됐다. 결과적으로 나노 포어를 따라 흐르는 이온의 흐름을 선택적으로 제어가 가능한 이온 트랜지스터를 구현하게 됐다.

특히 기존의 나노 포어 제작 공정은 매우 느리고, 불균일하며 대면적 공정이 불가능한 방법이었지만, 연구팀이 제시한 공정은 현 반도체 소자 제작 공정에 널리 사용되는 전자빔 리소그래피와 원자층 증착법을 사용해 기존의 방법과 달리 나노 포어를 안정적이며 신뢰성 있게 제작했다고 설명했다.

연구결과에 대해 NPG 아시아 머티어리얼스측은 "기존의 고체 전자 소자와 양립 가능한 방법으로 이온 트랜지스터를 집적하는 방법을 제시한 논문"이라고 평가했다.

김 교수는 "다음 단계로 이온뿐만 아니라 DNA와 같은 바이오 분자의 운동을 전기적으로 제어할 수 있는 연구를 진행할 것"이라며 "이는 고체소자를 통한 DNA 염기서열해독 연구에 큰 가능성을 제시할 것"이라고 전망했다.

김 교수는 서울대 금속공학과 학·석사를 마친 뒤 스탠포드대 재료공학과에서 박사 학위를 취득했다. 1992년부터 서울대 재료공학부 교수로 재직 중이며, IBM T. J. 왓슨 연구소와 어플라이드 머티어리얼스, 필립스 연구소에서 교환교수와 연구원으로 일한 바 있다.