정세영 부산대 광메카트로닉스공학과 교수와 이영희 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단(성균관대) 교수(이하 정 교수팀)이 5㎝ 이상 단결정 그래핀 두 장을 겹치는 방법으로 밴드갭 내재 그래핀 제조기술을 개발했다.

그래핀에 전류 제어가 가능하도록 밴드갭을 형성한 세계 첫 기술이다. 그래핀의 전자소자 활용 가능성을 획기적으로 높여 줄 것으로 기대된다.

그래핀은 투명도·강도·전자이동도 등에서 현존하는 소재 중 가장 뛰어난 물질이다.

하지만 `밴드갭`이 없어 전류 제어가 어렵고 이로 인해 전자소자로의 활용성이 떨어졌다. `밴드갭(band gap)`은 반도체와 절연체에서 가전자대(valence band)와 전도대(conduction band) 사이의 전자 상태 밀도가 0이 되는 에너지 대역을 말한다.

또 그래핀은 수십 마이크론(밀리미터의 1/1000)의 매우 작은 크기여서 폭넓은 연구와 응용이 어려웠다. 많은 과학자들이 단결정 대면적 그래핀 개발에 매달린 이유다.

정 교수팀은 대면적 그래핀 두 장을 겹치는 방법으로 밴드갭을 형성해 이 같은 문제를 해결했다.

정 교수팀은 산업계에서 사용하는 박막(얇은 막) 성장 장치 `스퍼터링 장비`를 이용해 단결정 구리 박막을 2인치와 4인치 기판 위에 만들고, 단결정 구리 박막 위에 단결정 그래핀을 제조하는데 성공했다. 이어 광학현미경을 이용해 층간 각도를 조절하며 2인치 크기의 2층 구조 단결정 그래핀을 개발했다.

정세영 교수는 “그래핀을 대면적 단결정으로 만들어낸 성과다. 이를 기반으로 추가적 산업 활용 연구가 이어지면 그래핀의 산업적 활용을 앞당길 수 있다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 미래창조과학부 신기술 융합형 성장 동력 사업과 IBS 지원으로 수행됐다. 기술개발 성과는 `어드밴스드 머티리얼즈` 7월호 온라인판에 실렸다.