상층 그래핀 속 탄소 원자 중 절반이 하층 그래핀 육각형의 중심에 위치한 A패턴과 B패턴이 반복되는 구조를 AB적층구조라고 한다. 이중, AB적층 이중층 그래핀은 특정 조건에서 밴드갭을 가질 수 있는 것으로 알려져 있다.사진=기초과학연구원 제공
상층 그래핀 속 탄소 원자 중 절반이 하층 그래핀 육각형의 중심에 위치한 A패턴과 B패턴이 반복되는 구조를 AB적층구조라고 한다. 이중, AB적층 이중층 그래핀은 특정 조건에서 밴드갭을 가질 수 있는 것으로 알려져 있다.사진=기초과학연구원 제공
기초과학연구원은 22일 반도체의 특성을 가진 단결정 다층 그래핀을 합성했다고 밝혔다. 전류 흐름 제어가 가능해지면서 초소형 전자소자에도 응용할 수 있을 것으로 기대된다

그래핀의 층수 및 적층순서를 제어할 수 있는 새로운 금속기판을 설계한 것인데, 몇 개의 단층 그래핀이 어떤 구조로 겹쳐있는지에 따라 성질이 크게 달라진다.

흑연의 원자 한 층인 그래핀은 우수한 전기전도도와 신축성을 갖춰 전자소자로서 높은 응용가능성을 지닌 소자지만, 전류의 흐름을 제어할 수 있는 성질인 `밴드갭(Band Gap)`이 없어 응용이 제한적이었다.

그래핀을 상·하로 적층했을 때 상층 그래핀 속 탄소 원자 중 절반이 하층 그래핀 육각형 중심에 위치한 AB 적층구조가 이런 그래핀의 단점을 극복할 소재로 주목받았지만 현재 기술로는 층수 및 순서 제어가 어렵고 제조된 면적이 수㎜ 수준으로 작아 실제 상용 소자와는 거리가 있었다.

연구진은 제어력을 높이고자 구리보다 높은 탄소용해도를 가진 니켈을 활용해 새로운 단결정 합금 기판을 설계했다. 니켈의 함량이 16.6%일 경우에는 AB 적층구조를 갖는 이중층 그래핀이 균일하게 형성됐다.

1저자인 밍 후왕 연구위원은 "크기 2㎠ 합금포일 기판의 95%에 해당하는 면적에서 AB적층 이중층 그래핀을, 60%의 면적에서 ABA 삼중층 그래핀을 성장시킬 수 있었다"며 "다층 그래핀의 각 층은 상부 층의 아래에서 자라며 거꾸로 놓인 웨딩케이크 모양처럼 합성된다는 성장 메커니즘도 규명했다"고 설명했다.

이수진 기자

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