한양대 김현우 교수·인하대 김상섭 교수 연구팀, 운모(절연체)의 신기한 특성 찾아내

▲ 김현우 교수

□ 국내 연구진이 새로운 개념의 2차원 나노소재를 개발했다. ‘밴드갭 조절형 운모 2D 나노시트’는 그동안 전기가 통하지 않는 절연체(絶緣體)로 알려진 운모(mica, 雲母)의 밴드갭(band gap)을 감소시켜 절연체에서 반도체로 연속적으로 변화시킬 수 있는 획기적 방법이다.

(*밴드갭: 에너지 갭으로도 불리며 전자가 존재하는 에너지 레벨과 전자가 존재하지 않는 에너지 레벨 사이의 차이를 의미하며, 이 차이에 따라 물질의 전기 전도성 정도가 결정됨)

○ 한양대 김현우 교수(신소재공학과)와 인하대 김상섭 교수가 주도하고, 일본 재료연구소(NIMS)의 오사다 미노루(長田實) 박사, 싱가포르 과학기술디자인대학의 핑 우(Ping Wu) 교수가 협력했다. 공동연구팀에는 또 한양대의 함헌·나한길·권용중·트란 반 카이(Tran Van Khai) 연구원과 싱가포르 과학기술디자인대 바딤 쿨리시(Vadym Kulish) 연구원, 인하대의 아카시 카토치(Akash Katoch), 일본 재료연구소의 김윤현 연구원이 참여했다.

○ 공동연구팀은 절연체 운모로 나노시트를 만들어 밴드갭을 절연체에서 반도체(半導體) 범위까지 연속적으로 조절하는 새로운 2차원 재료기술을 개발했다. 이 연구는 한국연구재단과 일본 문부과학성 지원사업으로 수행됐고, 연구결과는 세계적 권위의 학술지인 『케미스트리 오브 머티리얼즈』(Chemistry of Materials) 6월 10일 온라인 판에 게재됐다. (논문명 : Tunable Bandgap Narrowing Induced by Controlled Molecular Thickness in 2D Mica Nanosheets = http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/cm504802j)

□ 한양대 김현우 교수와 인하대 김상섭 교수팀이 개발한 ‘밴드갭 조절형 운모 2D 나노시트’는 매우 저렴한 운모에서 손쉬운 방법으로 나노시트를 만들고, 그 두께에 따라 밴드갭이 순차적으로 조절되는 2차원 재료를 개발한 것이어서 큰 의미가 있다고 평가된다. 운모의 밴드갭 조절 특성을 이용하면 지금껏 난제(難題)로 알려진 2차원 재료의 전기특성 천이거동(遷移擧動)을 손쉽게 구현해 다양한 전자소자 제작이 가능할 것으로 기대된다. 또한 본 연구에서 발견된 운모의 특성은 두께가 얇아질수록 양자크기효과에 의해 밴드갭이 증가하는 통상적인 2차원 소재와 반대의 경향을 보이는 것이어서 과학적 흥미를 끌고 있다.  

□ 연구팀 관계자는 “이번에 개발된 운모 2차원 재료는 비용도 저렴하고 특히 쉬운 제작방법이 특징”이라며 “이번 성과는 시작에 불과하며 운모를 이용한 전자소자 제작을 추진하고 있는 상황으로 앞으로 연속적 밴드갭을 이용해 태양에너지 분야에도 적용 가능할 것으로 예상하고 있다”고 말했다.

▲ 운모 나노시트 제작방법

▲ 운모 표면부 결정구조 재배열 및 밴드갭 변화 메커니즘