국내 연구진이 떠오르는 신물질인 그래핀에서 반도체 핵심 특성을 발견했다. 더 작고 빠른 전자소자의 개발이 앞당겨질 전망이다.
미국 로렌스버클리 국립연구소 김근수 박사(제1 저자)와 포항공대 물리학과 염한웅(공동 교신전자), 김태환 교수는 탄소원자 한 층 두께의 신물질인 그래핀에서 터널링 다이오드 효과를 발견했다고 22일 밝혔다. 층을 이룬 그래핀 속으로 전자가 빠른 속도로 투과하는 터널링 다이오드 효과를 구명한 것으로 그래핀의 초고속 소자로서의 응용 가능성을 확인했다. 메모리, 증폭기, 고주파 진동기 등에 널리 활용될 수 있다.
터널링 다이오드 효과는 나노 단위로 적층된 물질에 전압을 걸어주면 그 사이를 전자가 빠른 속도로 투과해 흐르는 현상이다. 반도체 핵심 특성이다.
흑연의 표면층을 한 겹만 떼어낸 탄소나노물질인 그래핀은 철보다 단단하면서도 쉽게 휘어지고 구리보다 전기가 잘 통하는 성질로 2005년 처음 발견된 후 불과 5년 만에 노벨물리학상을 받을 정도로 주목을 받았다. 하지만 밴드갭이 존재하지 않는 그래핀의 도체적인 특성(금속성)으로 인해 반도체 소자 응용에 제약이 있었다.
연구팀은 밴드갭이 존재하지 않더라도 소자로 응용 가능한 방법을 주목했고, 그 중 하나가 터널링 다이오드 효과다. 그동안 많은 시도가 있었지만 기존 반도체와 같은 방법을 원자 한 층 두께의 극히 얇은 그래핀에 적용하는 것이 매우 어려웠다. 김근수 박사와 염한웅 교수는 “신물질 그래핀에 기존 반도체 소자의 핵심기술을 접목하는 데 성공해 초소형, 초고속 그래핀소자 가능성을 열었다”고 연구 의의를 밝혔다. 연구결과는 물리학 분야 학술지인 `피지컬 리뷰 레터스` 최신호(1월 18일자)에 게재됐다.
밴드갭
반도체 물질에서 전자가 위치할 가장 높은 에너지 띠(가전자대)와 그 위에 있는 전자가 채워져 있지 않은 전도 띠(전도대) 사이의 에너지 차이를 말한다. 낮을수록 도체에 가깝고 높을수록 부도체에 가깝다.
홍기범기자 kbhong@etnews.com
