홍종일 교수 연구팀, 꿈의 소재 그래핀의 물리적 한계 극복

 

세계 최초 수소화그래핀 진성반도체 합성 및 그 트랜지스터 증명

 

그래핀 기반의 전자소자 상용화 토대 마련

 

 

홍종일 교수 연구팀(신소재공학부, 제1저자 손장엽, 공저자 김재훈 물리학과 교수)이 꿈의 소재로 알려진 ‘그래핀’의 물리적 한계를 극복하는 획기적 기술 개발에 성공했다.

 

탄소 동소체 중 하나인 그래핀은 탄소 원자들이 육각의 벌집구조로 이루어진 이차원 평면 구조의 물질이다. 전자소자의 핵심 소재인 실리콘을 대체할 수 있는 차세대 물질로 평가받아 왔으나 전기적 제어가 가능한 ‘진성반도체’로 합성이 어려워 IT 관련 전자소자로 응용은 요원했다. 진성반도체란 전자의 주기적 혼성화로 밴드갭이 형성되는 반도체로서 가장 대표적인 사례가 실리콘이다.

 

홍종일 교수 연구팀은 4년 이상의 노력과 연구를 통해 위와 같은 그래핀의 전기전도 특성을 제어하는 데 성공했다. 연구팀은 본 연구실만의 오랜 노하우인 비파괴 수소 플라즈마 처리 방법을 이용하여 그래핀 표면에 물리적 결함을 발생시키지 않으면서 탄소와 수소 원자를 화학적으로 결합하여 수소화그래핀(hydrogenated graphene)*을 합성했다. 또한 수소결합의 양을 조절함으로써 이론적으로 예측되었던 넓은 범위의 밴드갭(0~4 eV*)을 제어할 수 있음을 다양한 물리적 방법을 이용하여 증명했다. 나아가 이를 이용해 만든 트랜지스터가 정상적으로 작동함을 보임으로써 세계 최초로 진성밴드갭(intrinsic bandgap)을 갖는 수소화그래핀 트랜지스터를 성공적으로 구현했다.

 

본 연구를 통해 그래핀의 물리적 한계를 극복함으로써 전자소자 시대를 앞당길 것으로 기대된다. 홍종일 교수는 “지금까지 이론적으로만 설계해왔던 탄소기반 전자정보소자, 특히, 유연한 투명전자소자 분야의 획기적인 발전 및 상용화에 크게 기여할 것으로 기대한다.”며 “앞으로도 다른 분야의 전문가들과 공동으로 협업함으로써 꿈의 소재를 이용한 미래소자를 개척할 것”이라고 밝혔다.

 

한편, 연구팀은 미래창조과학부와 산업통상자원부의 지원으로 연구를 수행했으며, 연구 결과는 세계적인 학술지 ‘네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재되었다.

 

*수소화그래핀: 그래핀의 표면에 수소 원자가 화학적으로 결합하여, 전도성 그래핀과는 구별되는 전기적 특성을 보이는 재료.

*eV(electron-volt): 에너지의 단위로 1 eV=1.6×10-19 J(Joule)에 해당함.