떠오르는 신물질, 그래핀의 반도체 핵심특성 규명

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김용백
등록 2013-01-23 10:49:00

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□ 국내 연구진이 탄소원자 한 층 두께의 신물질, 그래핀에서 반도체 핵심특성인 터널링 다이오드 효과*를 발견함에 따라 더 작고 빠른 전자소자의 개발이 앞당겨질 전망이다. 층을 이룬 그래핀 속으로 전자가 빠른 속도로 투과하는 터널링 다이오드 효과를 규명하여 그래핀의 초고속 소자로서의 응용 가능성을 확인한 것이다.

* 터널링 다이오드 효과 :　나노 단위로 적층된 물질에 전압을 걸어줄 경우 그 사이를 전자가 빠른 속도로 투과하여 흐르는 현상으로 메모리, 증폭기, 고주파 진동기 등에 널리 활용될 수 있다.

○ 미국 로렌스버클리 국립연구소 김근수 박사(제 1저자)와 포항공대 물리학과 염한웅(공동 교신저자), 김태환 교수가 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 학문후속세대양성사업 및 창의연구사업의 지원으로 수행되었고, 물리학 분야의 권위있는 학술지인‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’최신호(1월 18일자)에 게재됐다.

　　(논문명: Visualizing Atomic-Scale Negative Differential Resistance in Bilayer Graphene)

□ 흑연의 표면층을 한 겹만 떼어낸 탄소나노물질, 그래핀은 철보다 훨씬 단단하면서도 쉽게 휘어질 수 있고 구리보다 더 전기가 잘 통하는 등 그 뛰어난 물성으로 인해 2005년 처음 발견된 후 불과 5년 만에 노벨물리학상의 주인공이 될 만큼 주목받고 있다.

○ 하지만 밴드갭*이 존재하지 않는 그래핀의 도체적인 특성(금속성) 으로 인해 반도체 소자로의 응용에는 제약이 있었다.

* 밴드갭 : 반도체 물질에서 전자가 위치할 수 있는 가장 높은 에너지띠(가전자대)와 그 위에 존재하는 전자가 채워져 있지 않은 전도띠(전도대) 사이의 에너지 차이를 말하는데 밴드갭이 낮을수록 도체에 가깝고 밴드갭이 높을수록 부도체에 가깝다.

○ 때문에 밴드갭이 존재하지 않더라도 소자로 응용이 가능한 다른 방법에 주목하게 되었는데, 그 중 하나가 그래핀에서 터널링 다이오드 효과를 유도하는 것이다. 이를 위해 많은 시도가 있었지만 기존 반도체와 같은 방법을 원자 한층 두께의 극히 얇은 그래핀에 그대로 적용하는 것은 매우 어려웠다.

□ 연구팀은 기판 위에 성장시킨 두 층의 그래핀에 수직으로 전기장을 걸어주고 뾰족한 나노탐침을 이용하여 그래핀을 투과하는 전기신호를 조사하여 터널링 다이오드 효과의 대표적인 특성인 부저항*을 확인함으로써 그래핀의 고속소자로서의 응용가능성을 확인하였다.

* 부저항 : 일반적인 경우와 반대로 전압이 증가함에도 불구하고 전류는 오히려 감소하는 특이한 현상을 말한다.

○ 연구팀은 기존 시도에서 벗어나 이층으로 배열한 그래핀에 전기장을 걸어줄 경우 전자상태가 터널링 다이오드 효과에 알맞게 변형된다는 점에 주목하였다. 이는 기존 연구에서 예견되지 않았던 비교적 새롭고 간단한 방법이다.

○ 특히 연구팀은 이 현상을 극미세 바늘로 물질의 표면을 스캔하는 주사탐침현미경을 활용, 원자수준으로 관찰하여 그 메커니즘까지 규명할 수 있었다.

□ 김근수 박사와 염한웅 교수는 “이번 연구로 신물질 그래핀에 기존 반도체 소자의 핵심기술을 접목하는 데 성공하여 초소형, 초고속 그래핀소자의 가능성을 열었다”고 연구의의를 밝혔다.

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