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'꿈의 소재'라는 그래핀을 능가하는 새 반도체 소재 국내 연구진이 합성











'꿈의소재'로 불리는 그래핀을 능가하는 새로운 2차원 구조체를 국내 연구진이 합성에 성공해 주목을 받고 있다.



백종범 교수
미래창조과학부는 8일 UNIST의 백종범 (에너지·화학공학부) 교수와 신형준(신소재공학부) 교수, 박노정(자연과학부) 교수와 포항공대 오준학(화학공학부) 교수 등이 참여한 공동연구팀이 그래핀을 능가하는 새로운 2차원 구조체(C2N-h2D crystal)를 합성했고, 이 연구 결과가 담긴 논문이 6일자 네이처 커미뉴케이션스에 게재됐다고 밝혔다.



현재 반도체의 원료로 사용되는 실리콘은 공정이 미세해질수록 성능의 한계에 부딪혀왔다. 고집적화가 진행되면서 데이터 처리 속도의 한계를 극복하는 것이 과제로 등장한 것이다. 관련 분야에서는 이를 보완하기 위해 새로운 물질 탐색에 나섰고, 원소주기율표에서 같은 족(族)에 속하는 '탄소'에 기반한 물질들이 주목을 받기 시작했다. 특히 2004년 발견된 그래핀은 실리콘보다 뛰어난 성질, 즉 현존하는 물질 중에서 열과 전기가 가장 잘 통한다는 장점 때문에 실리콘을 대체할 물질로 기대를 모았다.



하지만 그래핀은 띠 간격(band gap)이 없어 금속성을 지니고, 전기적 신호에 의해 전류의 흐름을 통제할 수 없다는 단점을 갖고 있다. 반도체로 응용하기에는 치명적인 결함인 셈이다.



이번 연구팀은 그래핀이 지니고 있는 단점인 금속성을 보완하기 위해 탄소와 질소로 구성된 새로운 이차원 구조체(C2N-h2D crystal)를 합성했다. 이 구조체는 그래핀과는 달리 규칙적으로 구멍이 뚫려 있고, 각 구멍에 6개의 질소 원소가 구멍의 중심을 향해 돌출해있는 구조를 하고 있다.



이 구조체는 일정 간격의 구멍과 탄소 외에 이종(異種)원소인 질소를 갖고 있어 그래핀과 달리 띠 간격이 존재하며, 점멸비(on/off ratio)가 최대 1000만까지 나타난다. 점멸비는 반도체 소자에 흐르는 전류량의 비율을 말하는데, 점멸비가 높을수록 반도체에 흐르는 전류의 양을 효과적으로 제어할 수 있어 우수한 성능의 반도체 구현이 가능하다. 지난 40년간 계속 높여온 실리콘 반도체의 점멸비가 10만 수준인 점을 감안하면, 반도체로서 스위칭 속도가 당장 100배에 이른다는 것을 보여준다.



백종범 교수는 "이번 연구는 '꿈의 물질'로 불리는 그래핀의 치명적인 결함을 극복할 수 있는 신물질"이라며 "그래핀보다 훨씬 많은 분야에 응용될 수 있을 것"이라고 말했다.



강찬수 기자 envirepo@joongang.co.kr
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