국내연구진, 초소형 반도체 개발 단서 찾아냈다

기초과학연구원, 포스포린의 반도체 성질 제어 및 그래핀 수준의 전도성 규명

2차원 반도체 포스포린(보라색)과 그 표면에 흡착된 이종원자 칼륨(푸른색)의 모식도. 자료=미래창조과학부 제공

국내 연구진이 ‘꿈의 신소재’라 불리는 그래핀의 단점을 극복할 만한 물성을 2차원 반도체 물질인 포스포린에서 찾아냈다. 초소형 전자소자와 광전소자 등에서 폭넓게 활용할 수 있을 전망이다.

13일 미래창조과학부에 따르면 연구진은 띠 간격(밴드갭)이 없는 그래핀과 달리 포스포린의 띠 간격을 폭넓게 변화할 수 있는 방법을 찾아냈다. 즉 전류의 흐름을 자유재로 제어하는 데 성공한 것이다.

포스포린은 인 원자로 된 흑린의 표면 몇 개 층을 떼어낸 2차원 물질로 머리카락 굵기의 10만분의 1 수준인 0.5㎜ 두께의 박막구조가 특징이다. 또 규칙적인 주름이 잡혀있어 외부압력이나 전기장에 의해 물성제어가 쉬운 것이 장점으로 알려졌다.

그간 그래핀은 철보다 강하고 구리보다 전류가 잘 흐르는 뛰어난 물성 때문에 꿈의 신소재로 각광 받아왔다. 다만 밴드갭이 없는 탓에 전류의 흐름을 통제하기 어려워 차세대 반도체 소자로 활용하는 데 치명적인 결함이 있었다.

연구진은 포스포린의 표면에 칼륨원자를 흡착시켜 수직방향으로 전기장을 만들었다. 그 결과 포스포린의 전자배치에 영향을 줘 밴드갭의 폭넓은 변화를 주는 데 성공했다.

또 포스포린의 밴드갭이 0에 해당할 시에는 준도체적 상태가 돼 전도성이 그래핀과 비슷한 수준에 이를 수 있음을 밝혔다.

이는 원자 한 겹 두께의 고성능, 초소형 반도체 소자 개발에 중요한 단서를 제공한 것으로 평가된다.

다만 실용화를 위해서는 포스포린 트랜지스터를 제작하고 산화를 방지하는 기술개발 등 추가 연구가 필요할 전망이다.

한편 이번 연구는 미래부 산하 기초과학연구원 원자제어저차원전자계연구단의 김근수 교수 연구팀이 최형준, 이연진 연세대 교수 연구팀과 공동으로 수행했다.

연구결과는 세계 최고권위 과학저널 사이언스(Science)지에 게재될 예정이다.

이승재 기자 russa88@