국내 연구진, 그래핀의 반도체 핵심 특성 규명

[백나영기자] 국내 연구진이 꿈의 소재 그래핀에서 반도체 핵심특성인 터널링 다이오드 효과를 발견했다. 이에 따라 더 작고 빠른 전자소자의 개발이 앞당겨질 전망이다.

포항공대 김태환, 염한웅 교수 연구팀은 그래핀 속으로 전자가 빠른 속도로 투과하는 터널링 다이오드 효과를 규명해 그래핀의 초고속 소자로서의 응용 가능성을 확인했다고 22일 발표했다.

그래핀은 흑연의 표면층을 한 겹만 떼어낸 탄소나노물질로 철보다 훨씬 단단하면서도 쉽게 휘어질 수 있고 구리보다 전기가 잘 통하는 등 뛰어난 물성으로 과학계의 주목을 받고 있다. 그러나 도체적인 특성으로 인해 반도체 소자로 응용하기에는 제약이 있었다.

연구팀은 그래핀에서 터널링 다이오드 효과를 유도하면 소자로 응용이 가능하다는 점에 주목했다. 터널링 다이오드 효과는 나노 단위로 적층된 물질에 전압을 걸어줄 경우 그 사이를 전자가 빠른 속도로 투과해 흐르는 현상을 말한다.

연구팀은 기판 위에 성장시킨 두 층의 그래핀에 수직으로 정기장을 걸어주고 그래핀을 투과하는 전기신호를 조사해 터널링 다이오드 효과의 대표적인 특성인 부저항을 확인했다. 부저항은 전압이 증가해도 전류는 감소하는 반도체에서 발견되는 특이한 현상으로 이번 발견은 그래핀을 고속소자로 응용할 수 있는 가능성을 시사한다.

또 이 현상을 극미세 바늘로 물질의 표면을 스캔하는 주사탐침현미경을 활용해 원자수준으로 관찰해 그 메커니즘까지 규명했다.

염한웅 교수는 "이번 연구로 신물질 그래핀에 기존 반도체 소자의 핵심기술을 접목하는데 성공해 초소형, 초고속 그래핀 소자의 가능성을 열었다"고 전했다.

이번 연구는 교육과학기수룹와 한국연구재단이 추진하는 학문후속세대양성사업 및 창의연구사업의 지원으로 수행됐고 물리학 분야의 권위있는 학술지 '피지컬 리뷰 레터스' 최신호에 게재됐다.