한일 연구진, '나노주름 그래핀' 반도체 특성 첫 규명

IBS 임현섭 박사 "그래핀 구조 변경으로 반도체 구현…전기적 성질은 유지"

한국과 일본 공동연구진이 그래핀 표면에 나노주름을 만들면 다른 물질을 첨가하지 않고도 반도체 성질을 유도할 수 있다는 사실을 처음으로 밝혀냈다.

기초과학연구원(IBS·원장 김두철) 다차원탄소재료연구단 로드니 루오프 단장과임현섭 연구위원, 일본 이화학연구소(RIKEN) 김유수 종신 주임연구원, 울산대 화학과 정재훈 교수 공동연구팀은 6일 그래핀 나노주름의 물리적 구조제어만으로 그래핀장점은 그대로 살리면서 반도체 특성을 갖게 하는 데 성공했다고 밝혔다.

이 연구 결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'(Nature Communications, 10월 23일자) 온라인판에 게재됐다.

그래핀은 탄소원자가 6각형 벌집구조로 결합한 2차원 전도성 물질로 전기적·물리적 성질이 우수해 차세대 전자소자 물질로 주목받고 있다.

연구팀은 그래핀 제조 시 표면에 일정한 주름이 생긴다는 데 착안해 그래핀 나노주름의 너비를 조정하는 방법을 고안했다.

그래핀은 일반적으로 아세틸렌(C₂H₂) 가스에 열이나 빛 고주파 등으로 화학작용을 유도, 기판 위에 박막을 형성하는 화학기상증착법으로 만들어지는데 이때 표면에는 수십 나노미터(㎚=10억분의 1ｍ) 너비의 물결무늬 주림이 생긴다.

연구진은 증착 시 초고속 냉각 방법으로 너비 5㎚ 이하의 나노주름이 있는 그래핀을 만들고 이 나노주름 때문에 그래핀에 반도체 특성이 생긴다는 사실을 확인했다.

5㎚ 이하의 그래핀 나노구조는 기판과 상호작용으로 고유 성능이 떨어지는 기판간섭이나 접촉 면에 전기저항이 생기는 접촉저항에 인한 전압손실이 없는 특성을 보인다.

연구진은 나노주름 구조 내에서 전자가 양자화되면서 움직임이 제한되는 1차원전자구속효과가 생겨 한 장의 그래핀 내에서도 도체-반도체-도체 형태의 접합구조를만들 수 있다며 전자 손실이 없고 전도 속도를 끌어올린 그래핀 소재의 차세대 반도체 개발을 앞당길 수 있을 것이라고 설명했다.

논문 제1저자인 임현섭 박사는 "다른 물질을 첨가하는 기존 화학적 방법은 그래핀의 전도성을 떨어뜨리는데 비해 이 연구의 물리적 제어는 우수한 전도성을 유지한채 반도체 특성을 갖게 한다"며 "그래핀의 전기적 성질을 조절하는 방법에 새로운패러다임을 제시하는 것"이라고 말했다.

scitech@yna.co.kr(끝)<저 작 권 자(c)연 합 뉴 스. 무 단 전 재-재 배 포 금 지.>