IBS 연구진은 국·내외 연구진과 공동 연구를 통해 그래핀의 물리적 변경으로 반도체 성질을 유도할 수 있다는 사실을 세계 최초로 규명하였다.

그래핀은 탄소원자가 벌집구조로 배치된 2차원 도체물질로, 전하이동도는 실리콘의 100배, 강도는 다이아몬드의 2배나 되어, 차세대 전자 소자 물질로 각광 받아 왔다. 이번에 연구진은 그래핀 나노주름의 구조 제어만으로 그래핀의 장점을 고스란히 살려 반도체화 하는데 성공하였다.

기존에는 그래핀 제작 시 탄소원자 이외의 원자를 첨가하는 화학적 합성법으로 그래핀의 반도체화가 진행되었다. 하지만 이 경우 그래핀의 우수한 물성이 저하되는 치명적인 단점이 나타났다.

이에 연구팀은 그래핀 표면에 일정한 주름이 분포해 있다는 것에 착안해 그래핀 나노주름의 너비를 조정하는 물리적 제어법으로 본 연구를 진행하였다. 그래핀은 일반적으로 초기반응물인 아세틸렌(C2H2)을 사용해 화학기상증착법으로 제작되며, 이때 생성된 그래핀 표면에는 수십 나노미터(10^-9, nm) 너비의 물결무늬 주름이 분포한다.

하지만 증착 시 초고속 냉각을 하게 되면, 나노주름의 너비가 5 nm 이하 인 그래핀을 얻을 수 있게 된다. 한 면의 그래핀은 조작된 나노주름 때문에, 기판과 전자소재사이의 상호작으로 소재 고유의 성능을 떨어뜨리는 기판간섭이 발생하지 않는다. 또한 서로 접촉한 두 물체의 접촉면에 전류가 흐를 때 발생하는 접촉저항으로 인한 전압의 손실이 없는 구조적 특성을 보인다.

그 이유는 5nm 이하의 나노주름은 기판과의 상호작용이 없어 전자구속효과를 갖게 되고, 전자가 가질 수 있는 에너지는 1차원 주름 구조 내에서 양자화 되기 때문이다. 이로 인해 도체-반도체-도체 형태의 그래핀 구현이 가능해져, 전압의 변동은 없고 전도 속도는 끌어올린 그래핀 소재 차세대 반도체 개발을 앞당길 것으로 보인다.

이밖에 연구팀은 합성된 그래핀 나노주름의 너비를 주사터널링현미경의 미세 탐침을 이용해 조정하는 방법으로 그래핀 나노주름의 밴드갭을 조절할 수 있다는 사실 역시 밝혔다.

본 연구를 주도적으로 진행한 임현섭 박사는 “기존의 화학적 방법이 그래핀의 전도성을 저하 시키는데 비해, 본 연구의 물리적 제어는 그래핀의 우수한 전도성을 유지한 채 반도체로의 이용을 가능하게 할 수 있다”며 “그래핀의 전기적 성질을 조절하는 방법에 있어 새로운 패러다임을 제시하고 있다.”라고 말했다.

▲ 그래핀 나노주름의 주사터널링현미경 이미지 및 실험 모식도

이번 연구성과는 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 다차원탄소재료연구단(단장 로드니 루오프), 루오프 단장, 임현섭 연구위원, 이화학연구소 (RIKEN, 일본) 김유수 종신 주임연구원, 그리고 울산대학교(총장 오연천) 화학과 정재훈 교수가 공동 수행하였으며, 지난 10월 23일 과학저널 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 11.470)에 온라인 게재되었다.

대외협력실 김한섭