– 포스텍 조길원 교수팀, 버널적층 그래핀으로 밴드갭 제어 성공

포스텍(총장 김도연) 화학공학과 조길원 교수(사진)팀이 ‘꿈의 신소재’로 기대를 모으고 있는 그래핀에 전류의 흐름을 원하는 대로 제어할 수 있는 해법을 찾아내 그래핀을 이용한 웨어러블, 플렉서블 소자 개발이 앞당겨 질 전망이다. 흑연 원자의 한 층인 그래핀은 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고 반도체에 주로 쓰이는 실리콘 보다 100배 이상 전자를 빨리 이동시킨다. 또한 강도는 강철보다 200배 이상 강하고, 최고의 열전도성을 가진 다이아몬드보다 2배 이상 전도성이 높을 뿐 아니라 투명하고 신축성까지 뛰어나 전자소자로서는 완벽한 조건

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포스텍(총장 김도연) 화학공학과 조길원 교수(사진)팀이 ‘꿈의 신소재’로 기대를 모으고 있는 그래핀에 전류의 흐름을 원하는 대로 제어할 수 있는 해법을 찾아내 그래핀을 이용한 웨어러블, 플렉서블 소자 개발이 앞당겨 질 전망이다.

흑연 원자의 한 층인 그래핀은 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고 반도체에 주로 쓰이는 실리콘 보다 100배 이상 전자를 빨리 이동시킨다. 또한 강도는 강철보다 200배 이상 강하고, 최고의 열전도성을 가진 다이아몬드보다 2배 이상 전도성이 높을 뿐 아니라 투명하고 신축성까지 뛰어나 전자소자로서는 완벽한 조건을 갖춘 “꿈의 신소재”로 각광받고 있다.

하지만 그래핀은 전류의 흐름을 제어하는 성질인 밴드갭이 없어 전류의 흐름을 제어할 수 없다는 단점이 있어 전자소자로 사용이 불가했다.

반도체 소자들은 밴드갭(Band Gap)이란 특성을 갖고 있어 전류의 흐름을 제어할 수 있다. 밴드갭은 물질 속에서 전자가 존재하는 에너지 레벨과 존재하지 않는 에너지 레벨 사이의 차이를 말한다. 전자들이 모여 있는 부분과 전자들이 전혀 없는 부분이 밴드갭이란 공간을 사이에 두고 있으며, 이 공간을 자유전자들이 돌아다니면서 전기를 통하게 하는 원리이다. 반도체는 밴드갭이 적당해 열이나 빛, 전기작용으로 전기를 통하게 하거나 통하지 않게 하는 성질을 이용해 전자소자를 만든다.

조길원 교수팀은 그래핀을 버널적층*형태의 다층으로 합성하는 한편, 밴드갭을 만들어 그래핀과 기존 소자의 한계를 극복할 해법을 마련했다.

연구팀은 버널적층(Bernal-stacking)으로 합성한 그래핀의 구조에 주목했다. 이 형태의 그래핀은 외부전기장에 의해 변화하는 밴드갭을 갖는다. 하지만, 지금까지 화학기상증착법으로 그래핀을 만들면 구조가 제어된 여러 층의 그래핀을 만들 수가 없다는 한계가 있었다.

조길원 교수팀은 구리 기판 뒤에 얇게 니켈 박막을 붙이는 것으로 이 문제를 해결했다. 이렇게 만들어진 촉매를 이용, 밴드갭을 제어할 수 있는 다층 그래핀을 만들 수 있었을 뿐 아니라 그래핀의 층수도 아주 간단하게 조절할 수 있었다. 일반적으로 사용하는 웨이퍼 면적으로 합성했을 때에도 96.3%의 높은 균일도를 가져 상용화 가능성도 한층 높였다.

조길원 교수는 “밴드갭을 제어한 다층 그래핀 합성기술은 상용화에 직결되는 중요한 원천기술이다. 이번 연구는 그래핀을 이용한 플렉서블 전자소자 개발에 크게 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

한편 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업 ‘나노기반 소프트일렉트로닉스 연구단’ 지원으로 수행한 이번 연구 성과는 세계적 소재 전문 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’지(사진) 표지논문으로 실렸다.

최혜영 커뮤니케이터

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