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.
그래핀은 철보다 강하고 구리보다 전류가 잘 흐르는 뛰어난 물성 때문에 꿈의 신소재로 각광받고 있다. 하지만 밴드갭이 없어 전기 신호에 의해 전류 흐름을 통제하기 어려워 반도체 소자로 활용하는 데 어려움을 겪고 있다.
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
