그래핀은 전도성이 높고 강도가 강하며, 탄성이 뛰어나 꿈의 신소재라 불리며 전 세계적으로 활발히 연구되고 있다. 하지만 띠간격(band gap)이 없어 금속성을 지니고, 가장자리가 불안정하며 적합한 기판이 없어 전자소자로의 응용에 많은 어려움이 있었다. 이러한 문제점들을 해결할 수 있는 방법이 개발되었다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 전북분원(분원장 홍경태) 복합소재기술연구소 소프트혁신소재연구센터 김수민 박사팀은 미국 메사추세츠 공과대학(MIT) Jing Kong 교수, 동국대학교 융합에너지신소재공학과 김기강 교수 연구팀 등과 함께 국내 최초로 그래핀과 보론나이트라이드를 이용한 결합 구조 구현에 성공했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 나노 분야의 세계적 권위지인 나노레터스(Nano Letters) 3월호에 게재되었다.

그래핀은 전자의 이동도가 높은 물질이다. 때문에 기존 반도체 실리콘(Si)의 대체 물질로 전자소자 등의 분야에 높은 활용성을 보일 것으로 기대되어 왔다. 하지만 가장자리에서의 전자 산란으로 인한 불안정성과, 기존에 기판으로 사용되어 온 산화 실리콘의 거친 표면으로 인한 전하이동도의 저하로 그동안 응용과 상용화에 어려움을 겪어왔다. 때문에 그동안 그래핀을 전자소자로 활용하기 위해 이러한 한계를 극복할 수 있는 방법에 대한 연구가 꾸준히 진행되어 왔다.

공동연구팀은 이러한 기존의 단점을 개선하기 위해 그래핀과 같은 육각형 모양을 가진, 탄소가 아닌 보론과 질소로 이루어진 보론나이트라이드를 이용하여 그래핀이 가지고 있는 문제점을 개선시킬 수 있는 새로운 하이브리드 구조를 구현하는데 성공했다.

화학증착법을 이용하여 그래핀과 보론나이트라이드 두 물질을 단층, 혹은 적층 구조의 결합 구조로 구현한 결과, 단층 결합 구조가 그래핀 가장자리의 전자 산란을 감쇠시키는 것으로 나타나 띠간격이 있는 그래핀 나노 리본 연구에 큰 기여를 할 것으로 예상된다. 그래핀은 탄소로 이루어진 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, 그러한 단점을 극복한 것이다.

또 적층 구조의 경우 보론나이트라이드를 기판으로 적용한 결과 그래핀이 금속성에서 반도체성으로 전환되었으며, 기존 산화 실리콘의 거친 표면으로 인한 그래핀의 전하이동도 저하 문제 또한 개선되었다. 이는 전자소자로서의 그래핀 연구에 큰 돌파구를 마련한 것으로, 향후 투명하면서 휘어지는 태양전지, 투명전극, 트랜지스터 등의 소프트 일렉트로닉스 분야에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.

KIST 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 말했다.

이번 연구는 KIST 및 교과부의 연구비 지원으로 수행되었다.