▲ 염한웅 포항공대 물리학과교수(左와) 로렌스버클리연구소의 김근수 박사.

국내 연구진이 그래핀에서 반도체 핵심특성인 터널링 다이오드 효과를 발견해 그래핀 활용의 새로운 길을 열었다.

교육과학기술부(장관 이주호)는 미국 로렌스버클리 국립연구소 김근수 박사(제1저자)와 포항공대 물리학과 염한웅(공동 교신저자), 김태환 교수가 교육과학기술부와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 학문후속세대양성사업 및 창의연구사업의 지원 속에 수행된 연구를 통해 그래핀에서 터널링 다이오드 효과를 발견했다고 24일 발표했다.

터널링 다이오드 효과는 나노 단위로 적층된 물질에 전압을 걸어줄 경우 그 사이를 전자가 빠른 속도로 투과해 흐르는 현상으로 메모리, 증폭기, 고주파 진동기 등에 널리 활용될 수 있는 현상이다.

이번 연구 성과는 층을 이룬 그래핀 속으로 전자가 빠른 속도로 투과하는 터널링 다이오드 효과를 규명해 그래핀의 초고속 소자로서의 응용 가능성을 확인한 것이다.

이번 연구 논문은 물리학 분야의 권위있는 학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’ 최신호(1월 18일자)에 논문명 ‘Visualizing Atomic-Scale Negative Differential Resistance in Bilayer Graphene’로 게재됐다.
　　
그래핀은 철보다 훨씬 단단하면서도 쉽게 휘어질 수 있고 구리보다 더 전기가 잘 통하는 등 그 뛰어난 물성으로 인해 2005년 처음 발견된 후 불과 5년 만에 노벨물리학상의 주인공이 될 만큼 주목받고 있는 소재다.

하지만 밴드갭이 존재하지 않는 그래핀의 도체적인 특성(금속성)으로 인해 반도체 소자로의 응용에는 제약이 있었다.

때문에 밴드갭이 존재하지 않더라도 소자로 응용이 가능한 다른 방법이 강구되고 있는데, 그 중 하나가 그래핀에서 터널링 다이오드 효과를 유도하는 것이다. 이를 위해 많은 시도가 있었지만 기존 반도체와 같은 방법을 원자 한층 두께의 극히 얇은 그래핀에 그대로 적용하는 것은 매우 난해한 문제였다.

연구팀은 기판 위에 성장시킨 두 층의 그래핀에 수직으로 전기장을 걸어주고 뾰족한 나노탐침을 이용해 그래핀을 투과하는 전기신호를 조사해 터널링 다이오드 효과의 대표적인 특성인 부저항(일반적인 경우와 반대로 전압이 증가함에도 불구하고 전류는 오히려 감소하는 특이한 현상)을 확인함으로써 그래핀의 고속소자로서의 응용 가능성을 확인했다.

특히 연구팀은 기존 시도에서 벗어나 이층으로 배열한 그래핀에 전기장을 걸어줄 경우 전자 상태가 터널링 다이오드 효과에 알맞게 변형된다는 점에 주목했다. 이는 기존 연구에서 예견되지 않았던 비교적 새롭고 간단한 방법이다.

더불어 연구팀은 이 현상을 물질의 표면을 스캔하는 주사탐침현미경을 활용, 원자수준으로 관찰해 그 메커니즘까지 규명했다.

김근수 박사와 염한웅 교수는 “이번 연구로 신물질 그래핀에 기존 반도체 소자의 핵심기술을 접목하는 데 성공하여 초소형, 초고속 그래핀소자의 가능성을 열었다”고 연구의의를 밝혔다.

▲ 기판 위에 그래핀을 성장시키고 초고진공 상태에서 원자단위의 뾰족한 탐침을 미세하게 움직이면서 터널링 전기신호를 관찰하는 실험의 간단한 모식도.