▲ AFM 팁과 그래핀과의 마찰에 의해 발생하는 마찰전기 모식도 및 표면 포텐셜 측정 결과.

정전기 현상을 이용해 그래핀 전자소자를 구동하는 기술이 개발됐다.

한국연구재단(이사장 조무제)은 김상우 성균관대 교수 연구팀이 원자 한 층의 매우 얇은 두께를 갖는 2차원 물질에서 발생하는 정전기 현상을 이용해 전기적 특성을 제어하는 그래핀 전자소자 기술을 최초로 개발했다고 밝혔다.

그래핀 전자소자란 흑연, 다이아몬드와 같이 탄소 원자로만 이루어진 탄소화합물로, 탄소원자 6개가 육각형으로 결합된 구조가 모여 원자 한 층의 평면을 이루고 있는 물질로 만든 저항을 조절하여 전기의 흐름을 제어하는 전자소자이다.

이처럼 차세대 소재중 하나인 그래핀은 다른 2차원 물질들과 우수한 전기적 특성을 활용하기 위한 전자소재로의 연구가 진행중이나 복잡한 제조공정, 어려운 집적화 과정이 문제이다. 또한 전류의 on/off를 조절(게이트)하는 위치나 형태, 크기를 수정할 수 없어 상용화가 어렵다.

이에 연구팀은 그래핀의 정전기 현상을 이용한 전류 조절 게이트 방법을 최초로 개발했다. 마찰로 발생한 정전기는 그래핀을 투과하고 하부 기판에 갇혀 게이트 역할을 한다. 정전기에 의한 게이트는 그래핀의 전기전도도 특성을 제어하고 향상시켰다.

정전기를 이용하기 때문에 게이트가 따로 필요하지 않아 제어가 간편하다. 한 번 제작하면 수정이 불가능했던 기존의 전자소재와 달리 정전기의 형성, 수정 삭제가 가능하다. 이는 그래핀뿐만 아니라 다양한 2차원 물질에서도 전기적 특성을 제어할 수 있다.

또한 나노미터 수준의 미세제어를 할 수 있다. 전자소자에서 전류의 조절 역할을 하는 게이트 형성을 위한 공정이 필요하지 않기 때문에 초고밀도 집적화가 가능하다. 제조단가와 제작 시간도 크게 줄일 수 있다.

김상우 교수는 “이 연구는 정전기를 활용한 새로운 방식으로 2차원 물질이 가진 소재적 한계를 극복한 전자소자를 개발한 것이다. 향후 나노 수준의 미세 제어 기술로 초고밀도 집적화를 통한 초고용량 메모리 저장 전자소자, 그래핀 투명전극, 반도체 소자 내 전극 소재 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.

한편, 이 연구는 미래창조과학부·한국연구재단 기초연구지원사업(개인연구)의 지원으로 수행되었다. 과학기술분야 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 6월26일자에 게재됐다.