[대학저널 유제민 기자] 부산대학교(총장 전호환) 나노과학기술대학 광메카트로닉스공학과 정세영 교수와 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단 성균관대 이영희 교수 등 공동연구팀이 단일결정의 그래핀 두 장을 겹친 밴드갭 형성을 통한 전류 제어 기술 개발에 최근 성공했다.

연구팀의 성과는 신소재 분야 학술지인 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)' 지(IF=18.96) 7월호 온라인판에 '웨이퍼 스케일의 단결정 AB 누적 이중층 그래핀(Wafer-Scale Single-Crystalline AB-Stacked Bilayer Graphene)'이라는 제목으로 연구 논문이 게재됐다.

* 단결정: 한 고체 덩어리 전체가 원자의 규칙성을 가지고 있는 결정
* 웨이퍼 스케일(Wafer-Scale): 수인치(inch) 이상의 크기
* AB 겹침: 층 쌓기

흑연의 한 층인 '그래핀(Graphene)'은 투명도·강도·전자이동도 등에서 현존하는 소재 중 가장 뛰어난 물질이지만 그 크기가 작아 그동안 연구와 활용이 제한적이었고 밴드갭*이 없어 전류 제어가 어려워 전자소자로 활용되지 못해왔다.

* 밴드갭(band gap): 반도체와 절연체에서 가전자대(valence band)와 전도대(conduction band) 간에 위치하는 전자상태밀도가 0이 되는 에너지대역 또는 그 에너지의 차이

특히 그래핀은 어떤 물질보다 전기는 잘 통하지만 밴드갭이 없어 전류를 조절하지 못했기 때문에 스위칭기능(온오프)이 필요한 전자기기의 소자로는 활용할 수가 없었다. 그러나 그래핀 두 장을 겹치면 밴드갭이 생겨 전자소자로 활용할 수가 있었다.

이번 연구는 정세영 교수 연구실에서 실제 산업에서 널리 활용되고 있는 박막(얇은 막) 성장 장치인 스퍼터링 장비*를 사용해 구리 박막을 단결정 형태로 2인치와 4인치 기판 위에 각각 성장시키는 데 성공함으로써 가능해졌다.

* 스퍼터링 장비: IC 회로 생산 공정에서 많이 사용되는 진공 증착법의 일종으로, 비교적 낮은 진공도에서 이온화된 아르곤 등의 가스를 가속해 타겟에 충돌시키고 플라즈마를 생성해 실리콘이나 유리 같은 기판상에 얇은 막을 만드는 방법

또한 연구팀은 그래핀의 상업적 성장을 막았던 재연성 문제도 단결정 박막으로 해결의 실마리가 보인다고 밝혔다.

정세영 교수는 "이번 연구를 통해 그래핀을 대면적의 단결정으로 성장할 수 있게 돼 학문적으로 많은 추가적 연구를 할 수 있게 됐다"며 "또한 실제 산업현장에서 그래핀을 적용하는 데에도 한 걸음 더 가까이 다가섰다고 할 수 있다"고 연구의 의미를 평가했다.

이번 연구는 미래창조과학부가 주관하는 신기술 융합형 성장 동력 사업과 기초과학연구원(IBS)의 지원으로 수행됐다. 공동연구팀에는 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단 성균관대 이영희 교수와 루안(Luan) 박사, 부산대 정세영 교수와 부산대에서 박사학위를 취득하고 현재 미국 메릴랜드대학에서 박사후과정 중인 이승훈 박사 및 부산대 박호열 석사과정생 등이 참여했다.

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