그래핀으로 반도체를..IBS, 신물질 '홀리그래파인' 개발

김영준 입력 2022. 5. 19. 11:50 수정 2022. 5. 19. 15:37
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기초과학연구원(IBS)은 나노구조물리연구단 이효영 부연구단장(성균관대 교수) 팀이 반도체 특성을 띠는 2차원 탄소 동소체 '홀리그래파인'을 개발했다고 19일 밝혔다.

연구팀은 반도체 구현이 어려운 그래핀 단점을 보완하는 물질을 합성했다.

홀리그래파인은 뛰어난 반도체 특성과 삼중결합 및 공액 결합(유기화합물에서 단일 결합 한 개를 사이에 두고 서로 이어지는 이중결합) 구조를 가져 광전자공학, 촉매, 센서 등 다양한 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

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기초과학연구원(IBS)은 나노구조물리연구단 이효영 부연구단장(성균관대 교수) 팀이 반도체 특성을 띠는 2차원 탄소 동소체 '홀리그래파인'을 개발했다고 19일 밝혔다.

동소체는 같은 원소로 이뤄지지만 모양과 성질은 다른 물질을 뜻한다. 다이아몬드와 흑연이 대표적이다. 연구팀은 반도체 구현이 어려운 그래핀 단점을 보완하는 물질을 합성했다. 광전자공학, 촉매, 센서 등 다양한 분야에 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

그래핀은 전자 이동 속도가 실리콘의 140배에 이르고 강도는 강철의 200배에 달한다. 꿈의 소재로 주목받았다. 하지만 밴드갭(Band gap)이 없어 반도체로 사용하기에 한계가 있다. 밴드갭이 없으면 전류가 많이 흘러 도체가 된다. 아주 크면 절연체가 된다.

홀리그래파인의 분자 구조. 벤젠 고리(6개의 탄소 원자로 이루어진 고리)가 삼중결합(C≡C)으로 연결되어 있다.

그래핀에 구멍을 내면 전류 흐름을 방해해 밴드갭 조절이 가능하다는 연구결과도 있지만, 구멍 크기와 분포가 균일하지 못해 원하는 특성을 구현하기가 어렵다.

연구팀은 그래핀에 구멍을 내는 것이 아닌, 원자 단위로부터 탄소 재료를 새롭게 합성해 규칙적으로 구멍을 생성하는 방식을 적용했다. 연구팀은 이렇게 합성한 물질을 '홀리그래파인'이라 이름 붙였다.

홀리그래파인 밴드갭은 1.1eV로 실리콘 밴드갭(1.12eV)과 유사하다. 또 전하 이동 속도는 그래핀과 유사해 반도체 재료로 적합하다. 홀리그래파인은 뛰어난 반도체 특성과 삼중결합 및 공액 결합(유기화합물에서 단일 결합 한 개를 사이에 두고 서로 이어지는 이중결합) 구조를 가져 광전자공학, 촉매, 센서 등 다양한 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

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

이번 연구 결과는 셀(Cell) 자매지인 매터에 5월 19일 온라인 게재됐다.

김영준기자 kyj85@etnews.com

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