이영희·유우종 성균관대 물리학과·전자전기공학부 교수와 시앙펑 두안 미국 UCLA 화학과 교수 등 공동 연구팀은 1.3nm 두께의 초박막 '그래핀-이황화몰리브덴 적층 반도체' 광센서를 개발했다고 9일 밝혔다.

최근 반도체 미래 소재로 그래핀과 이황화몰리브덴이 주목받고 있다. 일반적으로 금속성을 보이는 그래핀은 특수한 구조로 만들거나 특정 환경에서만 반도체적 특성이 나타난다. 이런 이유로 실생활에 적합한 고성능 반도체 소재 활용에 어려움이 있다.

그래핀의 한계를 극복하고자 이황화몰리브덴 등 반도체 특성을 갖는 2차원 물질과 그래핀 조합의 연구가 활발하다.

이황화몰리브덴 양 끝단에 금속 전극을 올려 광전류를 측정한 결과 금속과 이황화몰리브덴가 만나는 좁은 영역에서만 광전류가 발생한다. 반면 그래핀-이황화몰리브덴 적층 반도체는 그래핀과 이황화몰리브덴가 중첩되는 모든 영역에서 광전류가 발생해 실용적이다.

기존 반도체 주재료는 3차원 물질인 실리콘이다. 일반적으로 발열 등의 문제로 실리콘 반도체 한계 두께를 14nm로 알려져 있다.

연구팀은 2차원 물질인 이황화몰리브덴과 그래핀을 각각 반도체와 전극 소재로 사용했다. 연구팀이 개발한 적층 반도체는 두께가 1.33nm로 매우 얇아 동작에 필요한 전압을 크게 낮출 수 있다. 실리콘 반도체 과다전력 소모와 발열 문제를 극복했다.

또 연구팀은 이번 연구 결과가 초고효율 광소자 개발에 탄력받을 것으로 전망하고 있다. 

그래핀-이황화몰리브덴-그래핀 적층 구조는 p-n 접합 다이오드가 아니어도 매우 높은 광전류가 생겼다. 각 그래핀과 이황화몰리브덴 사이에 형성되는 에너지 장벽 크기의 차이로 전자 터널링 정도가 달라져 광전류가 발생하는 원리다.

유우종 교수는 "나노미터 두께 초박막 반도체가 상용화되면 현재 반도체 시장 규모에 버금가는 경제적 효과가 있을 것"이라며 "2차원 소재 기반 기술 개발로 미래의 초고속 반도체, 고효율 광전소자, 신개념 투명 유연소자 개발·응용 연구가 가속화될 것"이라고 말했다.