그래핀 한계 극복해 반도체 소재로 활용

IBS, 2차원 탄소 동소체 홀리그래파인 합성...광정자공학, 촉매, 센서 등 활용 기대

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영)은 나노구조물리 연구단 이효영 부연구단장(성균관대학교 교수) 연구팀이 반도체 특성을 띠는 새로운 2차원 탄소 동소체 '홀리그래파인'을 개발했다고 19일 밝혔다. 

동소체는 다이아몬드와 흑연처럼 같은 원소로 이루어져있지만 모양과 성질이 다른 물질을 말한다. 그래핀, 풀러렌, 탄소 나노튜브 등은 현대에 발견된 탄소 동소체들이다. 

특히 그래핀은 전자 이동 속도가 실리콘의 140배, 강도는 강철의 200배에 달하는 등 좋은 특성을 지녔다. 하지만 밴드갭이 없어 반도체로 쓰기에 한계가 있었다. 밴드갭이 있어야 때로는 전기가 통하고 때로는 통하지 않게 하는 반도체로 활용할 수 있다. 

그래핀에 구멍을 내어 전류의 흐름을 방해, 밴드갭을 조절하는 홀리그래핀도 개발됐으나, 구멍의 크기와 분포가 균일하지 못해 원하는 특성을 구현하기 어렵다.

연구팀은 그래핀에 구멍을 내는 것이 아니라 원자 단위로부터 탄소 재료를 새롭게 합성해 규칙적으로 구멍을 생성하는 방식을 적용했다. 이렇게 합성한 물질에 홀리그래파인이라는 이름을 붙였다. 

홀리그래파인의 분자 구조. 벤젠 고리(6개의 탄소 원자로 이루어진 고리)가 삼중결합(C≡C)으로 연결되어 있다. 6개의 꼭짓점과 삼중결합으로 변형된 8개의 꼭짓점 고리의 패턴이 동일한 비율로 구성되어 있다. (자료=IBS)

홀리그래파인의 밴드갭은 1.1 eV로 실리콘 밴드갭(1.12 eV)과 비슷했고, 전하 이동 속도는 그래핀과 유사해 반도체 재료로 적합하다. 

이효영 부연구단장은 "이번 연구성과는 초박형 단결정을 최초로 합성함으로써 새로운 유형의 2차원 탄소 동소체의 설계 및 합성 가능성을 제시했다"라며 "탄소 동소체 연구로 실리콘을 넘어서는 차세대 반도체 시대를 여는 데 기여할 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 학술지 '매터(Matter)'에 게재됐다.