'꿈의 물질' 그래핀 적층 순서 제어하는 기술 나왔다

2020.01.22 18:46
로드니 루오프 기초과학연구원(IBS) 다차원탄소재료연구단장 연구팀은 그래핀의 층수 및 층을 쌓는 순서를 제어할 수 있는 금속기판을 설계해 반도체의 특성을 가진 다층 그래핀을 합성했다. IBS 제공
로드니 루오프 기초과학연구원(IBS) 다차원탄소재료연구단장 연구팀은 그래핀의 층수 및 층을 쌓는 순서를 제어할 수 있는 금속기판을 설계해 반도체의 특성을 가진 다층 그래핀을 합성했다. IBS 제공

열과 전기전도도가 뛰어나 ‘꿈의 물질’이라 불리는 그래핀은 차세대 전자소재로 주목받는 물질 가운데 하나다. 육각형 탄소 덩어리가 평면을 이룬 형태인데 이런 그래핀을 여러겹 겹치면 성질이 크게 달라진다. 하지만 지금까지 그래핀을 겹치는데는 기술적으로  한계가 있다. 국내 연구팀이 이런 한계를 극복한 그래핀 구조 제어기술을 개발하는데 성공했다.


기초과학연구원(IBS)은 로드니 루오프 다차원탄소재료연구단장 연구팀이 그래핀의 층수 및 층을 쌓는 순서를 제어할 수 있는 금속기판을 설계해 반도체의 특성을 가진 다층 그래핀을 합성했다고 22일 밝혔다.


그래핀이 가진 한계점 중 하나는 전류의 흠을 제어할 수 있는 성질인 ‘밴드갭’이 없다는 점이다. 밴드갭은 물질 속 전자들이 모여 있는 부분과 전자들이 전혀 없는 부분 사이 일종의 장벽으로 이 공간을 자유전자들이 돌아다니면서 전기를 통하게 한다. 밴드갭이 작을수록 전기가 잘 통하며 멀수록 전기가 통하지 않는다. 밴드갭이 없으면 전자소자의 전원을 키거나 끌 수 없어 응용에 한계가 생긴다.


AB 적층구조의 이중층 그래핀은 여기에 대한 해답을 줬다. AB 적층 그래핀은 위쪽에 쌓인 그래핀의 탄소 원자 중 절반이 아래쪽 그래핀 위에 위치한 A패턴과 B패턴이 반복되는 구조로 특정 조건에서 밴드갭을 가질 수 있는 것으로 알려졌다. 하지만 문제는 현재 기술로는 그래핀의 적층 층수 및 순서를 제어하기 힘들다. 

 

AB 적층 이중층 그래핀의 투과전자현미경(TEM) 이미지다. IBS 제공
AB 적층 이중층 그래핀의 투과전자현미경(TEM) 이미지다. IBS 제공

연구팀은 그래핀의 적층 층수 및 순서를 제어하기 위해 금속기판을 설계했다. 탄소원자가 다른 물질에 용해될 수 있는 최대량을 뜻하는 ‘탄소용해도’가 낮은 기존 구리 기판이 단층의 그래핀을 쌓아 올린다는 점에 착안해 구리보다 높은 탄소용해도를 가진 니켈에 주목했다. 구리 포일에 니켈을 전기도급하고 섭씨 1050도의 온도에서 열처리를 진행했다.


그 결과 구리와 니켈을 모두 포함하는 기판을 만드는데 성공했다. 니켈의 함량을 증가시켜가며 합성되는 그래핀의 형태를 분석했더니 니켈의 함량의 10%미만일 때 단층 그래핀이 합성되지만 16.6%일 경우 그래핀이 AB 적층구조를 갖는 것으로 나타났다. 


루오프 단장은 “기존 실리콘 등의 반도체 소자와 달리 적외선 영역의 파장을 흡수할 수 있어 새로운 형태의 나노광전자소자로 응용될 수 있다”고 말했다.


이번 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 나노테크놀로지’ 21일자에 게재됐다.
 

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