화학과 이효영, 류도현 교수 연구팀,

반도체 특성을 갖는 새로운 이차원 탄소 동소체 홀리 그래파인 개발

성균관대학교(총장 신동렬)는 화학과 및 기초과학연구원 나노구조물리연구단 이효영 교수 연구팀(제1공동저자 류성휘)과 화학과 류도현 교수 연구팀(제1공동저자 조수민)이 새로운 이차원 탄소 동소체인 홀리 그래파인(이하 그래파인)을 개발했다고 전했다. 그래파인은 반도체 시장에서 광전자 및 센서 등 다방면으로 응용될 것으로 기대를 모으고 있다.

탄소 동소체 중 하나인 그래핀은 다양한 분야에 응용되고 있지만, 도체의 특성을 가지고 한 가지 기하학만 가질 수 있기 때문에 새로운 탄소 동소체의 개발이 매우 중요한 과제로 떠올랐다. 이에 대한 해답으로 반도체적인 특성이 있고 여러가지 기하학을 가질 수 있다고 알려진 그래파인이 제안되었으나, 아직까지 효율적인 합성법의 개발은 절실한 상태였다.

그래핀에 물리적·화학적 방법으로 구멍을 생성하면 전류의 흐름을 방해하여 밴드갭 조절이 가능하다는 연구결과도 이어지고 있다. 이 물질을 ‘홀리 그래핀(holey graphene, 구멍이 있는 그래핀)’이라 한다. 그러나 홀리 그래핀은 구멍의 크기와 분포가 균일하지 못해 원하는 특성을 구현하기 어렵다.

이에 연구팀은 기존 그래핀에 구멍을 내는 방식이 아닌, 원자 단위로부터 탄소 재료를 새롭게 합성하여 규칙적으로 구멍을 생성하는 방식을 적용했다. 연구팀은 이렇게 합성한 물질을 ‘홀리 그래파인’라고 이름 붙였다. 홀리 그래파인은 벤젠 고리(6개의 탄소원자로 이루어져 있는 고리)가 삼중 결합(C≡C)으로 번갈아 연결되어 있으며, 6각형 고리와 8각형 고리의 패턴이 동일한 비율로 구성되어 있는 것이 특징이다.

연구진은 6단계 반응을 거친 ‘1,3,5-트리브로모-2,4,6-트리에틸벤젠’ 단분자를 이용해 탄소-탄소 결합 반응으로 잘 알려진 카스트로-스테판 반응을 응용하여 물과 디클로로메탄으로 구성된 두 가지 용매의 계면사이에서 초박형 2차원 반도체 홀리 그래파인을 합성했다. 홀리 그래파인의 밴드갭은 약 1.1 eV이다. 또 전하 이동 속도는 계산결과 그래핀과 유사해 반도체 재료로 적합함을 확인했다. 홀리 그래파인은 반도체 특성과 삼중결합 및 공액 결합 구조 공액 결합 유기화합물에서 단일 결합 한 개를 사이에 두고 서로 이어지는 이중결합이다. 만들어진 그래파인을 투과 전자 현미경, 적외선 분광기 등을 사용하여 특성을 분석하였으며, 반도체 소재 분야 응용이 가능함을 보였다.

이효영 교수는 “홀리 그래파인이 그래핀 특성과 유사하고 동시에 반도체 특성을 갖고 있어 향후 유기 반도체 분야에 새로운 패러다임을 제시할 수 있다는 점에서 의미가 큰 연구”라고 전했으며, 류도현 교수는 “새로 개발한 합성법을 사용하여 광전자, 촉매, 센서 분야에서 활용가능 하다는 점에서 기쁘며, 추후 국가 산업 발전에 큰 영향을 끼칠 것으로 기대한다”고 전했다.

본 연구 성과는 셀(Cell) 자매지인 매터(Matter, IF 15.589)에 5월 19일 온라인 게재되었다.