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| △ 탄소 원자 6개가 6각형(벤젠고리) 평면구조를 이루고 있는 그래핀(a)과 벤젠고리 6개가 질소 원자(파란색)로 연결돼 큰 6각형 평면구조를 이루고 있는 새로운 2차원 구조체(C2N-h2D crystal)(b) |
그래핀보다 전기특성 우수한 2차원구조체 개발
울산과기대 백종범 교수 "반도체, 에너지저장 등 다양한 응용 가능"
(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내 연구진이 꿈의 소재로 불리는 그래핀보다 전기적 특성이 우수해 반도체 소자는 물론 에너지 저장, 유기반응 촉매, 생물학 분야에까지 응용할 수 있는 새로운 2차원 구조체를 개발했다.
울산과기대(UNIST) 에너지·화학공학부 백종범 교수팀은 8일 탄소 원자 6개가 정육각형으로 결합한 벤젠고리가 있는 벤젠화합물 2가지를 이용, 벤젠고리 6개가 질소 원자로 연결돼 다시 큰 6각형을 이룬 새로운 2차원 구조체(C2N-h2D 크리스털)를 합성했다고 밝혔다.
백 교수는 이 2차원 구조체는 원소 수준의 구조분석과 반도체 성능 평가 결과, 현재 생산되고 있는 실리콘 반도체의 점멸비(on/off ratio)보다 100배 뛰어난 것으로 확인됐다고 설명했다.
점멸비는 반도체 소자에 흐르는 전류량의 비율로 점멸비가 클수록 반도체에 흐르는 전류량을 효과적으로 제어할 수 있어 성능이 우수한 반도체 구현이 가능하다.
현재 반도체 재료로 사용되는 실리콘은 공정이 미세해질수록 성능 향상에 한계를 드러내고 있다. 이에 따라 실리콘을 대체하기 위한 소재 연구가 활발히 진행되고 있으며 그중 그래핀은 뛰어난 물성으로 차세대 소자 재료로 주목받고 있다.
그러나 그래핀은 구조 안에 전자가 존재할 수 없는 영역인 '띠간격'(band gap)이 없는 도체이기 때문에 전류 흐름을 제어할 수 없어 반도체로 응용하기 어렵다.
띠간격은 물질의 전기적 특성 조절에 꼭 필요한 구조로 그래핀을 반도체 소자로 이용하려면 화학적인 방법으로 띠 간격을 넓혀 전류 흐름을 신속히 통제할 수 있도록 구조를 변형시켜야 한다.
연구진이 합성한 새로운 2차원 구조체는 탄소와 질소가 일정한 비율로 결합, 벤젠고리가 6각형을 이루는 결정구조를 이루고 있으며 주사터널링현미경(STM)으로 확인한 결과, 그래핀과 관리 내부에 띠간격이 존재하는 것으로 나타났다.
또 이 2차원 구조체는 반도체 소자 활용 가능성을 의미하는 점멸비가 1천만 단위로 현재 최적화돼 생산되고 있는 실리콘 반도체(점별비 10만 단위)보다 100배나 우수한 것으로 확인됐다.
백 교수는 "새로운 2차원 구조체는 전기적 성질이 꿈의 물질로 불리는 그래핀의 한계를 넘어서는 것으로 나타나 그래핀보다 훨씬 많은 분야에 응용할 수 있다"며 "반도체 소자뿐 아니라 에너지 저장·변환, 유기반응 촉매, 가스 저장, 생물학적 응용 등이 가능할 것"이라고 말했다.
미래창조과학부 중견·리더연구자지원사업으로 수행된 이 연구 결과는 과학저널 '네이처 커뮤니케이션스'(Nature Communications. 3월 6일자)에 게재됐다.
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