김수민 박사팀, 新소재 결합으로 기존 그래핀 한계 극복

국내 연구진이 전자소자로 응용이 어려웠던 그래핀의 문제점을 해결할 수 있는 방안을 찾았다. KIST 전북분원(분원장 홍경태)은 김수민 복합소재기술 연구소 소프트혁신소재연구센터 박사팀이 국내 최초로 그래핀과 보론나이트라이드를 이용한 결합 구조 구현에 성공했다고 밝혔다.

이번 연구 성과는 나노 분야의 세계적 권위지인 나노레터스(Nano Letters) 3월호에 게재됐다. KIST에 따르면 그래핀은 전자의 이동도가 높아 기존 반도체 실리콘(Si)의 대체 물질로 전자소자 등의 분야에 높은 활용성을 보일 것으로 기대돼 왔다. 그러나 띠간격(band gap)이 없어 금속성을 지니고, 가장자리에서의 전자 산란으로 인한 불안정성과, 기존에 기판으로 사용돼 온 산화 실리콘의 거친 표면으로 인한 전하이동도의 저하로 그동안 응용과 상용화에 어려움을 겪어왔다.

김수민 박사팀은 기존의 단점을 개선하기 위해 그래핀과 같은 육각형 모양을 가진, 탄소가 아닌 보론과 질소로 이루어진 보론나이트라이드를 이용해 그래핀이 가지고 있는 문제점을 개선시킬 수 있는 새로운 하이브리드 구조를 구현하는데 성공했다. 화학증착법을 이용해 그래핀과 보론나이트라이드 두 물질을 단층, 혹은 적층 구조의 결합 구조로 구현한 결과, 단층 결합 구조가 그래핀 가장자리의 전자 산란을 감쇠시키는 것을 확인한 것. 연구팀은 띠간격(band gap)이 있는 그래핀 나노 리본 연구에 큰 기여를 할 것으로 예상하고 있다.

그래핀은 탄소로 이뤄진 구조를 가지고 있지만 탄소가 아니라 수소나 산소 같은 원소들이 붙어서 그래핀의 가장자리가 불안정해질 경우 전자 이동이 방해받는 단점이 있었다. 연구팀은 이 가장자리를 그래핀과 비슷한 구조인 질소와 보론으로 이루어진 보론나이트라이드로 구현하는데 성공, 단점을 극복했다. 또 적층 구조의 경우 보론나이트라이드를 기판으로 적용한 결과 그래핀이 금속성에서 반도체성으로 전환됐으며, 기존 산화 실리콘의 거친 표면으로 인한 그래핀의 전하이동도 저하 문제 또한 개선된 것을 확인했다.

연구팀은 "전자소자로서의 그래핀 연구에 큰 돌파구를 마련한 것으로, 향후 투명하면서 휘어지는 태양전지, 투명전극, 트랜지스터 등의 소프트 일렉트로닉스 분야에 큰 기여를 할 것으로 기대된다"고 말했다. 김수민 박사는 "이번 연구는 그래핀 전자소자 연구의 최대 난제를 해결할 수 있는 새로운 연구 방향을 제시한 것으로 추후 새로운 소재를 통한 하이브리드 구조 연구에 기여할 것으로 기대된다" 고 덧붙였다. 한편, 연구에는 Jing Kong 미국 메사추세츠 공과대학(MIT) 교수, 김기강 동국대학교 융합에너지신소재공학과 교수가 참여했다.

▲그래핀과 보론 나이트라이드를 이용한 평면, 적층 구조의 하이브리드 연구 이미지. ⓒ2013 HelloDD.com
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