IBS 김근수 교수 공동연구팀 주도…밴드갭 조절 가능한 '포스포린' 발견
국내연구진이 발견한 신물질이 10년간 '꿈의 신소재' 왕좌를 지켜온 그래핀을 끌어내렸다.
기초과학연구원(IBS) 원자제어저차원전자계연구단의 김근수 교수(포스텍 물리학과) 연구팀과 연세대 최형준, 이연진 교수팀으로 이뤄진 공동연구팀이 그래핀에 버금갈 뿐만 아니라 단점인 물성까지 보완할 수 있는 새로운 2차원 반도체 물질인 '포스포린'의 밴드갭 조절이 가능함을 입증했다고 13일 밝혔다.
포스포린은 인(P) 원자로 된 흑린의 표면 몇 개 층을 떼어낸 2차원 물질이다. 머리카락 굵기의 10만분의 1 수준인 0.5㎚ 두께의 박막구조가 특징이다.
그래핀과 유사한 육각벌집 형태의 원자 배열을 가지고 있으나, 변형이 어려운 그래핀과 달리 규칙적인 주름이 잡혀있어 외부압력이나 전기장에 의해 물성제어가 쉬운 것이 장점이다.
연구진에 따르면 띠 간격(밴드갭)이 없는 그래핀과 달리 포스포린의 띠 간격을 폭넓게 변환(밴드갭 값 0~0.6) 할 수 있는 방법을 찾아내고, 전류의 흐름을 자유자재로 제어하는 데 성공했다.
밴드갭은 물질의 고유한 물리량으로 전자의 이동(전류)를 가로막는 장벽의 높이에 비유할 수 있다. 밴드갭이 없다는 것은 밴드갭 값이 0에 가깝다는 뜻으로, 전류가 쉽게 흐른다는 이야기이다.
그래핀은 철보다 강하고, 구리보다 전류가 잘 흐르는 뛰어난 물성 때문에 '꿈의 신소재'로 각광받았지만, 밴드갭이 없어 전기적 신호에 의해 전류의 흐름을 통제하기 어려워 차세대 반도체 소자로 활용하는 데 치명적인 결함이 돼 왔다.
연구진은 포스포린의 표면에 칼륨원자를 흡착시켜, 수직방향으로 전기장을 만들고, 그 결과 포스포린의 전자배치에 영향을 미쳐 밴드갭에 폭넓은 변화(밴드갭 값 0~0.6)를 주는 데 성공했다.
뿐만 아니라 포스포린의 밴드갭이 0이 될 때는 그래핀처럼 준도체적 상태가 되면서 전도성이 그래핀과 비슷한 수준에 이를 수 있음을 밝혔다. 이로써 원자 한 겹 두께의 고성능, 초소형 반도체 소자 개발에 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다.
이 같은 원리는 일반적인 2차원 반도체 물질에 응용할 수 있다.
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그러나 실제 포스포린 트랜지스터를 제작하고, 공기 중 포스포린의 산화를 방지하는 기술개발 등 추가 연구를 통해 실용화가 가능할 것으로 예상된다.
김근수 교수는 "그래핀 상용화의 고질적 문제점인 밴드갭을 해결하고, 그래핀의 장점만을 취한 것으로 2차원 반도체 물질연구의 중심이 그래핀에서 포스포린으로 이동하는 전환점이 될 것"이라고 말했다.
이번 연구성과는 국제과학저널인 '사이언스' 14일자에 게재됐다.
