`꿈의 신소재` 그래핀 한계 극복…차세대 반도체 시대 열었다

IBS, 반도체 특성 지닌 '홀리그래파인' 개발
전하이동속도 우수해 광전자공학, 센서 등 활용
'꿈의 신소재'로 불리는 그래핀를 반도체로 활용할 수 있는 새로운 2차원 탄소물질이 개발됐다. 기존 실리콘을 넘어 그래핀 기반의 차세대 반도체 시대를 열어 줄 신물질로 평가받는다.

기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단은 이효영 부연구단장(성균관대 교수) 연구팀이 반도체 특성을 띠는 새로운 2차원 탄소 동소체(같은 원소로 이뤄져 있지만 모양과 성질이 다른 물질)인 '홀리그래파인'을 개발했다고 20일 밝혔다.

다이아몬드, 흑연 등은 대표적인 탄소 동소체로, 그래핀과 풀러렌, 탄소나노튜브 등 현대에 발견된 다양한 탄소 동소체는 나노물질 과학에 혁명을 일으키고 있다. 이 가운데 그래핀은 전자 이동 속도가 실리콘의 140배에 이르고, 강도는 강철의 200배에 달해 꿈의 소재로 각광받고 있다.

하지만, 그래핀은 밴드갭(반도체 내 전류를 흐르게 하는데 필요한 최소의 에너지값)이 없어 반도체로 사용하는 데 한계가 있다. 이 때문에 빠른 전하 이동속도를 가지면서 동시에 밴드갭 조절이 가능한 새로운 유형의 2차원 탄소 동소체를 찾는 연구가 활발하게 이뤄지고 있다.

최근에는 그래핀에 물리적·화학적 방법으로 구멍을 생성하면 전류의 흐름을 방해해 밴드갭 조절이 가능한 '홀리그래핀(구멍이 있는 그래핀)'을 개발했는데, 구멍의 크기와 분포가 균일하지 못해 원하는 특성을 구현하기 어려웠다.

연구팀은 그래핀 원자 단위로부터 탄소 재료를 새롭게 합성해 규칙적으로 구멍을 생성하는 방식으로, 홀리그래파인 물질을 개발했다. 홀리그래파인은 벤젠 고리가 삼중 결합으로 번갈아 연결돼 있으며, 6각형 고리와 8각형 고리의 패턴이 동일한 비율로 구성돼 있다.

연구팀은 6단계 반응을 거친 단분자를 이용해 물과 디클로로메탄으로 구성된 두 가지 용매의 계면 사이에서 초박형 2차원 반도체 홀리그래파인을 합성하는 데 성공했다. 이 홀리그래파인의 밴드갭은 1.1eV로, 실리콘의 밴드갭(1.12eV)와 유사하고, 전하 이동속도는 그래핀과 유사해 반도체 재료로 적합했다.

이효영 IBS 부연구단장은 "이번 연구성과는 초박형 단결정을 최초로 합성해 새로운 유형의 2차원 탄소동소체의 설계와 합성 가능성을 제시한 것"이라며 "홀리그래파인은 광전자공학, 촉매, 센서 등 다양한 분야에 활용할 수 있다"고 말했다.

이 연구결과는 국제 학술지 셀(Cell) 자매지인 '매터(지난 19일자)' 온라인에 실렸다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr