국내·외 연구진은 공동으로 그래핀 나노주름 구조 제어만으로, 반도체 성질을 유도할 수 있다는 사실을 세계 최초로 규명하였다.
그래핀은 탄소원자가 벌집구조로 배치된 2차원 도체물질로, 전기적·물리적 성질이 우수하여, 차세대 전자 소자 물질로 각광 받아 왔다.
최근 그래핀의 장점을 고스란히 살린 반도체화 시도가 이어지는 가운데, 연구진은 그래핀 나노주름의 물리적 구조제어만으로 이에 성공하였다.

연구팀은 그래핀 표면에 일정한 주름이 분포해 있다는 것에 착안해 그래핀 나노주름의 너비를 조정하는 방법으로 본 연구를 진행하였다.
일반적으로 그래핀은 초기반응물인 아세틸렌^*을 사용해 화학기상증착법^**으로 제작되며, 이때 생성된 그래핀 표면에는 수십 nm 너비의 물결무늬 주름이 분포한다.

* 아세틸렌 : 탄소와 수소로 구성된 분자(C2H2)로 상온에서 무색무취의 기체로 존재
** 화학기상증착법 : 화학물질을 포함하는 가스에 열이나 빛, 또는 고주파를 주어 화학 작용을 유도해 기판위에 박막을 형성하는 기술

하지만 증착 시 초고속 냉각을 하게 되면, 나노주름의 너비가 5 nm 이하 인 그래핀을 얻을 수 있게 된다.
이렇게 만들어진 그래핀 나노주름이 반도체 성질을 갖는 것을 주사터널링현미경과 주사터널링분광법으로 확인할 수 있었다.

한 면의 그래핀은 조작된 나노주름 때문에, 기판간섭^* 및 접촉저항^**으로 인한 전압의 손실이 없는 구조적 특성을 보인다.

* 기판간섭 : 기판과 전자소재사이의 강한 상호작용으로 소재가 가진 고유 성능 저하 유발
** 접촉저항 : 서로 접촉하고 있는 두 물체의 접촉면을 통해 전류가 흐를 때 그 접촉면에 생기는 전기 저항

5nm 이하의 나노주름은 기판과의 상호작용이 없어 전자구속효과를 갖게 되고, 전자가 가질 수 있는 에너지는 1차원 주름 구조 내에서 양자화^*된다.

* 양자화 : 전자는 원자핵 주변을 돌고 있으며, 특정 파장의 에너지를 쏘아주면 전자가 낮은 에너지 상태에서 더 높은 에너지 궤도의 상태로 넘어가게 된다. 이처럼 에너지를 연속적으로 갖는 것이 아니라 불연속한 단계로 갖는 것을 양자화라고 한다.

이로 인해 도체-반도체-도체 형태의 그래핀 구현이 가능해져, 전자 손실은 없고 전도 속도는 끌어올린 그래핀 소재의 차세대 반도체 개발을 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

이밖에 연구팀은 합성된 그래핀 나노주름의 너비를 주사터널링현미경의 미세 탐침을 이용해 조정하는 방법으로 그래핀 나노주름의 밴드갭을 조절할 수 있다는 사실 역시 밝혔다.

임현섭 박사는 “기존의 화학적 방법이 그래핀의 전도성을 저하 시키는데 비해, 본 연구의 물리적 제어는 그래핀의 우수한 전도성을 유지한 채 반도체로의 이용을 가능하게 할 수 있다”며 “그래핀의 전기적 성질을 조절하는 방법에 있어 새로운 패러다임을 제시하고 있다.”라고 말했다.
이번 연구성과는 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 다차원탄소재료연구단(단장 로드니 루오프), 루오프 단장, 임현섭 연구위원, 이화학연구소 (RIKEN, 일본) 김유수 종신 주임연구원, 그리고 울산대학교(총장 오연천) 화학과 정재훈 교수가 공동 수행하였으며, 지난 10월 23일 과학저널 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 11.470)에 온라인 게재되었다.

그래핀 나노주름의 주사터널링현미경 이미지 및 실험 모식도