▲ (左부터) 박진홍 성균관대학교 전자전기공학부 교수, 그래핀의 n-형 도핑 및 금속 전극 하부 그래핀의 모서리 길이 디자인을 이용한 접촉저항 최소화 및 그래핀-페로브스카이트 광검출기 소자로의 응용.

국내 연구진이 그래핀과 금속간의 접촉 저항을 최소화해 전류손실을 획기적으로 줄이는 기술을 개발해 향후 그래핀 기반의 나노소자 발전에 큰 도움을 줄 것으로 보인다.

한국연구재단(이사장 정민근)은 미래창조과학부 중견연구자지원사업의 지원을 받은 박진홍 교수 연구팀(성균관대)이 n-형 도핑 기술과 그래핀 모서리의 디자인 변형을 통해 그래핀-금속 전극의 접촉저항을 기존 팔라듐접촉의 ~86Ω-μm과 비교해 약 4배 줄여 세계 최저 수준(~23Ω-μm)으로 낮추는 기술을 개발했다고 지난 14일 밝혔다.

그래핀은 전기적 기계적 광학적 특성이 뛰어나 유연·투명 소재에 적용 가능한 차세대 반도체 물질로 각광을 받았지만 낮은 전자상태 밀도로 인한 높은 접촉저항으로 응용소자의 고성능 확보를 어렵게 하고 있다.

쉽게 설명한다면 전자가 잘 전달되어야 전류가 잘 흐르고, 전류가 잘 흐르는 것은 저항이 낮다는 의미다. 즉 전자를 받아들일 수 있는 공간(전자상태 라고 부름)이 많아야 전자가 잘 이동해 전류가 흐르고 접촉 저항이 줄어드는 것이다.

이에 연구팀은 그래핀의 전자상태밀도를 증가시키기 위해 n-형 도핑기술을 적용하고 금속 전극 하부 그래핀 모서리를 의도적으로 길게 디자인해 그래핀-금속 접촉저항을 세계 최저 수준인 ~23Ω-μm까지 최소화했다.

이에 박진홍 교수 연구팀은 그래핀의 전자상태 밀도를 높이기위해 전자를 공급하는 트리아진(Triazine) 분자가 포함된 고분자절연물질(PVP/PMF)을 그래핀 아래층에 두고 가열하는 공정으로 그래핀에 n-형으로 도핑을 했다.

또한 그래핀 모서리의 길이를 길게 디자인함으로써 금속과 접합된 그래핀의 전자상태 밀도를 이전보다 더 높여 접촉저항을 최소화했다. 그 결과 기존 그래핀 소자 대비, 동일 동작전압 인가 시 약 4배 높은 동작전류를 확보할 수 있게 되었다.

박진홍 교수는 “그래핀을 기반으로 하는 차세대 전자소자 또는 광전소자의 성능을 극대화함으로써 차세대 플렉서블 스마트 기기 등 다양한 응용분야에 적극 활용될 수 있을 것”이라며 연구의 의의를 설명했다.

이번 연구결과는 나노소자 및 재료공학 분야 세계적 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 2월 3일자 표지 논문으로 게재됐다.