다아라 매거진 _ 2017.12

기술뉴스

[Technical News]‘꿈의 신소재’ 2차원 반도체 중요물성 인공 제작 ‘성공’

포스포린의 물성 한계 극복해 디락 입자 인위적으로 유도한 최초 사례로 꼽혀

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만들어진 포스포린의 디락 입자


원자 한 겹 두께의 평면 구조를 갖는 신물질인 ‘2차원 반도체’는 우수하고 독특한 물성을 갖고 있어 다양한 소자 응용이 가능하다.

대표적인 예로 탄소 원자로 이뤄진 그래핀은 디락 입자(빛처럼 유효질량이 0인 상태로 움직이는 상대론적인 입자)를 갖고 있어 전하 이동도가 매우 빠르다. 하지만, 밴드갭(반도체 물질의 고유 물리량)이 없어 외부 전기 신호를 이용한 전류 흐름 제어가 쉽지 않아 반도체 소자로 활용되는데 어려움을 겪어왔다.

반면, 또 다른 2차원 반도체인 포스포린(인(P) 원자로 이뤄진 흑린(Black Phosphorus)의 표면 몇 개 층을 떼어낸 2차원 물질)의 경우는 밴드갭이 존재해 전류 흐름 제어는 비교적 쉽지만, 전하가 디락 입자와 같은 성질을 갖고 있지 않아 그래핀과 같은 전하 이동도를 기대하기 어렵다는 단점이 있었다.

이러한 가운데 한국연구재단이 연세대학교 김근수 교수 연구팀이 서울대학교 양범정 교수, 연세대학교 최형준 교수 연구팀과 공동으로 천연 상태에서 존재하지 않는 원자 한 겹 두께의 평면구조를 갖는 신물질인 2차원 반도체의 중요한 물성을 인공적으로 만드는 데 성공했다고 밝혔다.

연구팀은 지난 2015년, 포스포린 표면에 칼륨원자를 흡착시켜 밴드갭을 제어하는 기술을 발견한 데 이어, 이번에는 밴드갭 제어 기술을 더욱 고도화해 포스포린에 디락 입자를 인공적으로 발생시켰다.

그간 디락 입자는 그래핀의 핵심 특성이자 독특한 물성의 근원이지만, 천연상태에서 디락 입자를 갖고 있지 않은 물질에 인공적으로 디락 입자를 만들어내는 것은 불가능할 것이라고 인식돼 왔다. 이 연구는 포스포린의 물성 한계를 극복해 디락 입자를 인위적으로 유도해낸 최초의 사례로 꼽히고 있다.

이 연구에서는 포스포린의 밴드갭 제어 범위를 확장해 밴드갭 값이 음수에 이르렀고, 이 때 디락 입자가 형성됐다. 이렇게 만들어진 포스포린의 디락 입자는 그래핀과 달리 특수한 결정 대칭성으로 보호돼 안정한 입자를 이룬다.

일반적인 반도체 소자는 외부 전기 신호에 따라 전하량이 조절되는 원리로 작동한다. 하지만 2차원 반도체의 물성 제어 기술이 더욱 발전한다면 전하량 조절을 밴드갭 조절로 대체하는 새로운 개념의 고성능 반도체 소자 개발도 가능할 것으로 기대가 모아지고 있다.

김근수 교수는 “더욱 완벽한 2차원 반도체 물질을 찾는 것도 중요하지만, 이미 알려진 물질의 한계를 극복하는 물성 제어 기술도 중요하다”며 “앞으로 반도체 소자의 작동 원리인 전하량 조절을 밴드갭 제어로 대체하는 새로운 개념의 고성능 반도체 소자 개발에 한걸음 더 다가선 것”이라고 연구의 의의를 설명했다.

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