포스텍 김근수 교수 연구팀 전류 흐름 쉽게 제어 가능

▲ 포스텍 김근수(왼쪽) 교수와 김지민 연구원.
포스텍 연구팀이 꿈의 신소재로 불리는 그래핀에 버금갈 뿐 아니라 단점을 극복할만한 물질을 찾아내 화제가 되고 있다.

특히 원자 한 겹 두께의 고성능에다 초소형 반도체 소자 개발에 중요한 단서를 제공할 것으로 보여 기대를 모으고 있다.

포스텍 물리학과 김근수 교수·김지민 연구원 등 연구팀은 연세대 최형준·이연진 교수 연구팀과 함께 포스포린이라는 2차원 물질에 칼륨 원자를 흡착시켜 그래핀과 같은 전소성을 가지면서 자유롭게 전류 흐름을 제어할 수 있는 물성을 확인했다.

이번 연구는 이에 14일 세계 최고권위 과학저널 사이언스(Science, IF 33.611)지에 게재됐다.

그래핀은 철보다 강하고 구리보다 전류가 잘 흐르는 뛰어난 물성을 자랑하지만 밴드갭이 없어 전기적 신호에 따라 전류 흐름을 통제하기 어렵다 보니 차세대 반도체 소자로 활용하는 데 치명적인 결함으로 작용해 왔다.

연구진은 이에 따라 포스포린의 표면에 칼륨 원자를 흡착시켜 수직 방향으로 전기장을 만들었는데 그 결과 포스포린의 전자 배치에 영향을 미쳐 밴드갭에 폭넓은 변화(밴드갭 값 0~0.6)를 주는 데 성공했다.

이와 함께 포스포린의 밴드갭이 0이 될 때 그래핀처럼 준도체적 상태가 되면서 전도성이 그래핀과 비슷한 수준에 이를 수 있음을 밝혔다.

하지만 실제 포스포린 트랜지스터를 제작할 뿐 아니라 공기 중에서 포스포린 산화를 방지하는 기술 개발을 위한 추가 연구가 필요할 것으로 보인다.

김근수 교수는 "그래핀 상용화의 고질적 문제인 밴드갭을 해결한 데다 그래핀 장점만을 취했다"면서 "2차원 반도체 물질연구 중심이 그래핀에서 포스포린으로 이동하는 전환점이 될 것"이라고 밝혔다.



△용어설명

1.포스포린(phosphorene)

인(P) 원자로 된 흑린(black phosphorus)의 표면 몇 개 층을 떼어낸 2차원 물질로 머리카락 굵기의 10만분의 1 수준인 0.5㎚ 두께의 박막구조가 특징인데 그래핀과 유사한 육각벌집 형태의 원자 배열을 가지고 있으나, 변형이 어려운 그래핀과 달리 규칙적인 주름이 잡혀있어 외부압력이나 전기장에 따라 물성제어가 쉬운 것이 장점이다.

2.밴드갭(Band-gap)

물질의 고유한 물리량으로 전자의 이동(전류)를 가로막는 장벽의 높이에 비유할 수 있는데 밴드갭이 없다는 것은 밴드갭 값이 0에 가까울수록 전류가 쉽게 흐르게 된다는 것이다.
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