전부 탄소(회색 구)로 이루어져 있는 그래핀(a)과 달리 국내 연구진이 개발한 새로운 2차원 구조체(b)는 규칙적으로 구멍이 뚫려 있고 6개의 질소원소(하늘색 구)가 각 구멍의 중심을 향해 있는 구조다.
탄소 원자들이 벌집 모양으로 얽혀 있는 얇은 막 형태의 나노 소재인 '그래핀'은 '꿈의 신소재'로 주목을 받고 있다.
2004년 발견돼 2010년 노벨물리학상 주제로 선정된 그래핀은 '인류가 발견한 최초의 '2차원 결정''이라고도 불린다.
그래핀 강도는 강철의 200배이고, 열전도율은 구리의 13배, 전기 전도성은 실리콘의 100배에 달한다.
현존하는 물질 가운데 열과 전기가 가장 잘 통하는 그래핀은 반도체 공정이 미세해질수록 성능의 한계를 노출하고 있는 실리콘을 대체할 물질로 기대를 모으고 있다.
하지만 그래핀은 '띠 간격(band gap: 전자가 존재할 수 없는 영역)'이 없는 금속 같은 도체이기 때문에 전류의 흐름을 통제할 수 없어 반도체로 응용하는 데에는 한계가 있었다.
UNIST 백종범 교수
UNIST 백종범 교수(에너지/화학공학부)와 신형준 교수(신소재공학부), 박노정 교수(자연과학부) 및 포항공대의 오준학 교수(화학공학부) 공동 연구팀이 돌파구를 열었다.
공동연구팀은 화학적 합성을 통해 그래핀과 달리 일정한 구멍이 존재하며 탄소와 질소가 일정한 비율로 존재하는 새로운 2차원 구조체(C2N-h2D crystal)를 개발하였다
전류 흐름 통제 능력은 '점멸비(on/off ratio: 반도체 소자에 흐르는 전류량의 비)'로 확인할 수 있는데, 점멸비가 높을수록 우수한 것이다.
공동연구팀이 개발한 새로운 2차원 구조체는 점멸비가 지난 40년 동안 최적화시켜온 실리콘 반도체보다 100배나 우수한 것으로 확인됐다.
그래핀의 치명적 한계를 극복한 것으로 평가되는 이번 연구 결과는 자연과학 분야 세계적 권위 학술지인 '네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)' 3월 6일 자에 게재됐다.
백종범 교수는 8일 "그래핀의 한계를 넘는 새로운 물질로, 그래핀보다 훨씬 다양한 분야로 응용이 예상된다"고 이번 연구의 의의를 설명했다.
한편 이번 연구는 미래창조과학부의 '중견 및 리더연구자지원사업'으로 수행됐다.