교육과학기술부와 한국연구재단은 김근수 로렌스버클리 국립연구소 박사와 염한웅 포항공대 교수 연구팀이 그래핀에서 반도체 핵심특성인 터널링 다이오드 효과를 발견했다고 22일 밝혔다.

터널링 다이오드 효과란 나노단위로 적층된 물질에 전압을 걸어줄 경우 그 사이를 전자가 빠른 속도로 투과해 흐르는 현상을 말한다. 그래핀은 철보다 훨씬 단단하면서도 쉽게 휘어질 수 있고 구리보다 더 전기가 잘 통하는 등 그 뛰어난 물성으로 인해 2005년 처음 발견된 후 꿈의 신소재 물질로 각광받고 있다.

하지만 밴드갭이 존재하지 않는 그래핀의 도체적인 특성(금속성)으로 인해 반도체 소자로의 응용에는 제약이 있었다. 때문에 밴드갭이 존재하지 않더라도 소자로 응용이 가능한 다른 방법에 주목하게 되었는데, 그 중 하나가 그래핀에서 터널링 다이오드 효과를 유도하는 것이다.

▲왼쪽부터 염한웅 교수, 김근수 박사. <사진= 교과부 제공> ⓒ2013 HelloDD.com

이는 기존 시도에서 벗어나 이층으로 배열한 그래핀에 전기장을 걸어줄 경우 전자상태가 터널링 다이오드 효과에 알맞게 변형된다는 점에 주목한 것으로 비교적 새롭고 간단한 방법이다. 특히 연구진은 이 현상을 극미세 바늘로 물질의 표면을 스캔하는 주사탐침현미경을 활용, 원자수준으로 관찰해 그 메커니즘까지 규명할 수 있었다.

김근수 박사와 염한웅 교수는 "이번 연구로 신물질 그래핀에 기존 반도체 소자의 핵심기술을 접목하는 데 성공해 초소형, 초고속 그래핀소자의 가능성을 열었다"고 연구 의의를 전했다.

이번 연구 결과는 물리학 학술지인 '피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)' 최신호에 게재됐다.