'꿈의 소재' 그래핀 능가 신물질 나왔다

울산과기대 백종범 교수팀 '2차원구조체' 개발 세계최초… 실리콘반도체보다 점멸비 100배↑

▲ 전부 탄소로 이뤄져 있는 그림 a(그래핀)와 달리 그림 b(2차원 구조체, C2N-h2D crystal)는 규칙적으로 구멍이 뚫려 있고 각 구멍에 6개의 질소원소가 구멍의 중심을 향해 있는 구조를 하고 있다.

현존하는 물질 중 열과 전기가 잘 통해 꿈의 소재로 불리는 그래핀을 능가하는 새로운 2차원 구조체(C2N-h2D crystal)가 국내 연구진에 의해 세계 최초로 개발됐다.

특히 원소수준의 구조분석과 반도체 성능평가를 통해 최적화된 실리콘 반도체의 점멸비(on/off ratio, 반도체 소자에 흐르는 전류량의 비)보다 100배 향상된 것이 확인됐다.

한국연구재단은 울산과기대 백종범 교수(에너지/화학공학부) 공동연구팀이 화학적 합성을 통해 그래핀과 달리 일정한 구멍이 존재하고 탄소와 질소가 일정 비율로 존재하는 새로운 2차원 구조체를 개발했다고 8일 밝혔다.

이 구조체는 전기적 특성이 우수해 반도체 소자는 물론 에너지 저장, 유기반응 촉매, 생물학 분야에까지 응용이 기대되고 있다.

반도체 재료인 실리콘은 공정이 미세할수록 성능의 한계가 있고 그래핀은 실리콘을 대체할 물질로 각광받았지만 전자가 존재할 수 없는 영역, 즉 띠 간격(band gap)이 없는 금속같은 도체여서 전류의 흐름을 통제할 수 없는 단점이 있다.

따라서 그래핀을 반도체 소자로 이용하려면 띠 간격을 넓혀 전류 흐름을 신속히 통제해야 하는데 이는 점멸비라는 전기적 반응 속도로 확인할 수 있고, 점멸비가 높을수록 전류 흐름을 통제하는 능력이 우수하다.

연구진이 개발한 2차원 구조체를 주사터널링현미경으로 확인한 결과, 그래핀과 달리 띠 간격이 존재했으며 점별비가 실리콘보다 100배가 우수한 것으로 확인됐다.

백 교수는 “새로운 2차원 구조체는 꿈의 물질로 불리는 그래핀의 한계를 넘어서는 것으로 확인돼 그래핀보다 많은 분야에 응용할 수 있다”며 “반도체 소자뿐 아니라 에너지 저장·변환, 유기반응 촉매, 가스 저장, 생물학적 응용 등이 가능할 것”이라고 말했다.

한편 이번 연구결과는 세계적 자연과학분야 권위지인 네이처 커뮤니케이션 6일자에 게재됐다.

이영록 기자 idolnamba2002@