▲ 연구를 이끈 백종범 교수와 a.그래핀 b.신물질. 신물질은 그래핀에 비해 규칙적으로 구멍이 뚫려 있고 각 구멍에 6개의 질소원소(하늘색 구)가 구멍의 중심을 향해 있는 구조를 하고 있다..

국내 연구진이 꿈의 소재라 불리는 그래핀을 능가하는 새로운 2차원 구조체(C₂N-h2D crystal)를 합성해, 에너지 및 반도체 소재의 한계극복 및 생물학 분야까지 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

원소수준의 구조분석과 반도체 성능평가를 통해 최적화된 실리콘 반도체의 전기적 반응속도(점멸비, on-off ratio)보다 100배 뛰어남을 밝혔다.

이번 연구는 UNIST 백종범 교수(에너지/화학공학부)와 신형준 교수(신소재공학부), 박노정 교수(자연과학부) 및 포항공대의 오준학 교수(화학공학부) 등이 공동 주관했다.

현재 반도체 재료로 사용되고 있는 실리콘은 공정이 미세해질수록 성능의 한계에 부딪혀왔으며, 이를 보완하기 위해 비슷한 성질을 지니는 탄소기반 물질들이 주목을 받기 시작했다. 그 중 그래핀은 뛰어난 고유성질로 실리콘을 대체할 물질로 각광을 받아왔다.

그래핀은 현존하는 물질 가운데 열과 전기가 가장 잘 통하지만, 띠 간격(band gap)이 없는 금속 같은 도체이기 때문에 전류의 흐름을 통제할 수 없어 반도체로 응용하는 데에는 한계가 있었다.

백종범 교수 연구진은 화학적 합성을 통해 그래핀과 달리 일정한 구멍이 존재하며 탄소와 질소가 일정한 비율로 존재하는 새로운 2차원 구조체(C₂N-h2D crystal)를 개발했다.

연구진이 개발한 새로운 2차원 구조체를 주사터널링현미경(STM)으로 확인한 결과 그래핀과는 달리 띠 간격이 존재했으며, 반도체의 성능 연구 결과 새로운 이차원 구조체는 점멸비가 10의7승으로 이미 최적화된 실리콘 반도체보다 100배나 우수한 것으로 나타났다.

백종범 교수는 “꿈의 물질로 불리는 그래핀의 한계를 넘는 새로운 물질로 그래핀보다 훨씬 많은 응용분야가 예상돼 꿈이 현실로 나타날 만한 성과로 여겨진다”고 연구의의를 밝혔다.

이번 연구결과는 세계적인 자연과학분야 권위지인 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications) 3월6일자에 게재됐다.