▲ 김근수 IBS 원자제어저차원전자계연구단 교수 .

국내 연구진이 꿈의 신소재 라고 불리는 그래핀에 버금가고 단점까지 극복할 만한 새로운 2차원 반도체 물질인 ‘포스포린’을 찾아냈다.

기초과학연구원(원장 김두철, IBS) 원자제어저차원전자계연구단은 김근수 IBS 교수와 최형준,이연진 교수 연세대 연구팀이 공동으로 포스포린의 밴드갭 띠(0~0.6) 간격을 폭넓게 변환 할수 있는 방법을 찾아내 전류의 흐름을 자유자재로 제어하는데 성공했다.

포스포린이란 인(P)원자로 이루어진 흑린의 표면 몇 개 층을 떼어 2차원적인 물질로 마나든 머리카락굵기의 10만분의 1수준인 0.5nm의 두께 박막구조를 가지고 있다.

그래핀과 유사한 육각벌집 형태의 원자배열을 가지고 있지만, 변형이 어려운 그래핀과는 달리
규칙적인 주름이 잡혀있어 외부압력이나 전기장에 의한 물성 제어가 쉬운 것이 장점이다.

그래핀은 철보다 강하고, 구리보다 전류가 잘 흐르는 뛰어난 물성으로 꿈의 신소재로 각광 받았지만 전자의 이동을 가로막는 장벽에 비류되는 밴드갭이 존재하지 않아 전기적 신호에 의해 전류의 흐름을 통제하기 어려운 차세대 반도체 소자로 활용하는데 어려움이 있었다.

연구진은 포스포린 표면에 칼륨원자를 흡착시켜, 수직방향으로 전기장을 만들고, 그결과 포스포린의 전자배치에 영향을 미쳐 밴드갭에 폭넓은 변화를 주는데 성공했다.

뿐만 아니라 포스포린의 밴드갭이 0이 될 때에는 그래핀처럼 준도체적인 상태가 되면서 전도성이 그래핀과 비슷한 수준에 이룸을 밝혔다.

연구진은 향후 일반적인 2차원 반도체 물질에 응용을 할 수 있을 것이라 전하면서, 실용화를 위해서는 실제 포스포린 트랜지스터와 포스포린의 산화를 방지하는 기술개발등의 추가 연구가 필요할 것이라고 밝혔다.

김근수 교수는 “그래핀 상용화의 고질적 문제점인 밴드갭을 해결하고, 그래핀의 장점만을 취한 것으로 2차원 반도체 물질연구의 중심이 그래핀에서 포스포린으로 이동하는 전환점이 될 것”이라고 밝혔다.

한편, 연구결과는 세계 최고권위 과학저널 사이언스(Science, IF 33.611)지(誌)에 8월 14일(한국시각, 8월14일 새벽 3시) 게재됐다.

▲ 2차원 반도체 포스포린(보라색)과 그 표면에 흡착된 이종원자 칼륨(푸른색)의 모식도. 고온으로 달궈진 금속원자 칼륨을 포스포린의 표면에 흡착시킬 때 칼륨 원자의 밀도를 원자 단위로 정밀하게 조절하여 포스포린을 반도체 상태에서 도체상태에 이르도록 밴드갭을 제어하는 데 성공했다. .