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[TECH NEWS] 그래핀 한계 넘어서는 신물질 개발

최적화된 실리콘 반도체보다 100배 뛰어난 점멸비

[TECH NEWS] 그래핀 한계 넘어서는 신물질 개발 - 다아라매거진 기술이슈


현재 반도체 재료로 사용되고 있는 실리콘은 고집적화를 통해 성능개선을 향상시켜왔으나, 공정이 미세해질수록 성능의 한계에 부딪혀왔다.

최근 국내 연구진이 꿈의 소재라 불리는 그래핀을 넘을 수 있는 신물질인 2차원 구조체(C2N-h2D crystal)를 합성해, 반도체 소재와 에너지변환 및 저장소재, 촉매와 바이오 분야까지 응용될 수 있을 것으로 보인다.

연구팀은 5년 전 그래핀의 문제점을 해결하기 위해 화학반응으로 새로운 구조체 합성을 시작, 원소수준의 구조분석과 반도체 성능평가를 통해 최적화된 실리콘 반도체의 점멸비(on/off ratio)보다 100배 뛰어남을 밝혔다.

UNIST 백종범 교수(에너지/화학공학부)와 신형준 교수(신소재공학부), 박노정 교수(자연과학부) 및 포항공대의 오준학 교수(화학공학부) 공동 연구팀이 주관한 이번 연구는 미래창조과학부(장관 최양희)에서 추진하는 중견 및 리더연구자지원사업으로 수행됐고, 세계적인 자연과학분야 권위지인 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications) 3월 6일자에 게재됐다.

반도체 재료로 사용되고 있는 실리콘은 공정이 미세해질수록 한계점에 직면해 왔다. 이를 보완하기 위해 비슷한 성질을 지니는 탄소기반 물질들이 주목을 받기 시작했다. 그 중 그래핀은 뛰어난 고유성질로 실리콘을 대체할 물질로 각광을 받아왔다.

그래핀은 현존하는 물질 가운데 열과 전기가 가장 잘 통하지만, 띠 간격(band gap)이 없는 금속 같은 도체이기 때문에 전류의 흐름을 통제할 수 없어 반도체로 응용하는 데 난맥상을 드러내왔다.

그래핀을 반도체 소자로 이용하려면 띠 간격을 넓혀 전류 흐름을 신속히 통제할 수 있어야 하는데, 이러한 성능은 점멸비(on/off ratio)라는 전기적 반응속도로 확인 가능하며, 점멸비가 높을수록 전류 흐름을 통제하는 능력이 우수한 것이다.

백종범 교수 연구진은 화학적 합성을 통해 그래핀과 달리 일정한 구멍이 존재하며 탄소와 질소가 일정한 비율로 존재하는 새로운 2차원 구조체(C2N-h2D crystal)를 개발했다.

연구진이 개발한 새로운 2차원 구조체를 주사터널링현미경으로 확인한 결과 그래핀과는 달리 띠 간격이 존재했으며, 반도체의 성능 연구 결과 새로운 이차원 구조체는 점멸비가 107으로 이미 최적화된 실리콘 반도체보다 100배나 우수한 것으로 나타났다.

백 교수는“꿈의 물질로 불리는 그래핀의 한계를 넘는 새로운 물질로 그래핀보다 훨씬 많은 응용분야가 예상돼 꿈이 현실로 나타날 만한 성과로 여겨진다”고 연구의의를 밝혔다.
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