국내 연구진이 흑린에서 떼어낸 ‘포스포린’에서 그래핀을 뛰어넘는 신소재 가능성을 발견했다.
기초과학연구원(원장 김두철) 원자제어저차원전자계연구단 김근수 교수팀은 연세대 최형준, 이연진 교수팀과 공동 연구를 통해 띠 간격(밴드갭)이 없는 그래핀과 달리 포스포린 띠 간격을 폭넓게 변환하는 방법을 찾아내고 전류 흐름을 자유자재로 제어하는 데 성공했다고 14일 밝혔다.
포스포린은 인 원자로 된 흑린 표면 몇 개 층을 떼어낸 2차원 물질로 머리카락 굵기 10만분의 1 수준인 0.5㎚ 두께 박막구조가 특징이다. 그래핀과 유사한 육각벌집 형태의 원자 배열을 가지나 변형이 어려운 그래핀과 달리 규칙적인 주름이 있어 외부압력이나 전기장에 의해 물성제어가 쉽다.
연구진은 포스포린 표면에 칼륨원자를 흡착시켜 수직방향으로 전기장을 만들었다. 이를 통해 포스포린 전자배치에 영향을 미쳐 밴드갭에 폭넓은 변화(밴드갭 0~0.6)를 주는 데 성공했다.
포스포린 밴드갭이 0이 될 때는 그래핀처럼 준도체 상태가 되면서 전도성이 그래핀과 비슷한 수준에 이를 수 있음을 밝혔다. 원자 한 겹 두께의 고성능, 초소형 반도체 소자 개발에 실마리가 될 것으로 기대된다. 일반적인 2차원 반도체 물질에도 응용할 수 있다.
이번 연구결과를 활용해 포스포린 트랜지스터를 제작하려면 공기 중에서 포스포린 산화를 방지하는 기술개발 등 추가 연구가 필요하다.
김근수 교수는 “그래핀 상용화 고질적 문제점인 밴드갭을 해결하고, 그래핀 장점만을 취한 것”이라며 “2차원 반도체 물질연구 중심이 그래핀에서 포스포린으로 이동하는 전환점이 될 것”이라고 밝혔다.
연구결과는 세계적인 과학저널 ‘사이언스(Science)’ 14일자에 게재됐다.
권건호기자 wingh1@etnews.com
