포스포린, 또 하나의 꿈의 신소재 가능성 열려

[산업일보]
국내 연구진이 ‘꿈의 신소재’로 불리는 그래핀에 버금가고 오히려 그 단점을 극복할 만한 물성을 새로운 2차원 반도체 물질인 포스포린에서 찾아냈다.

포스포린은(phosphorene)은 인(P) 원자로 된 흑린(black phosphorus)의 표면 몇 개 층을 떼어낸 2차원 물질로 머리카락 굵기의 10만분의 1 수준인 0.5㎚ 두께의 박막구조가 특징으로 그래핀과 유사한 육각벌집 형태의 원자 배열을 가지고 있으나, 변형이 어려운 그래핀과 달리 규칙적인 주름이 잡혀있어 외부압력이나 전기장에 의해 물성제어가 쉬운 것이 장점이다.

연구진은 띠 간격(밴드갭)이 없는 그래핀과 달리 포스포린의 띠 간격을 폭넓게 변환(밴드갭 값 0~0.6) 할 수 있는 방법을 찾아내고 전류의 흐름을 자유자재로 제어하는 데 성공한 것이다.

그래핀은 철(鐵)보다 강하고, 구리보다 전류가 잘 흐르는 뛰어난 물성 때문에 꿈의 신소재로 각광받았지만, 밴드갭이 없
어 전기적 신호에 의해 전류의 흐름을 통제하기 어려워 차세대 반도체 소자로 활용하는 데 치명적인 결함이 되고 있다.
연구진은 포스포린의 표면에 칼륨원자를 흡착시켜, 수직방향으로 전기장을 만들고, 그 결과 포스포린의 전자배치에 영향을 미쳐 밴드갭에 폭넓은 변화(밴드갭 값 0~0.6)를 주는 데 성공했다.

뿐만 아니라 포스포린의 밴드갭이 0이 될 때는 그래핀처럼 준도체적 상태가 되면서 전도성이 그래핀과 비슷한 수준에 이를 수 있음을 밝혔다. 이로써 원자 한 겹 두께의 고성능, 초소형 반도체 소자 개발에 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다.

이 같은 원리는 일반적인 2차원 반도체 물질에 응용할 수 있다. 그러나 실제 포스포린 트랜지스터를 제작하고, 공기 중 포스포린의 산화를 방지하는 기술개발 등 추가 연구를 통해 실용화가 가능할 것으로 예상된다.

이번 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 산하 기초과학연구원(원장 김두철) 원자제어저차원전자계연구단(단장 염한웅)의 김근수 교수(기초과학연구원 학연교수, 포스텍 물리학과) 연구팀이 연세대 최형준, 이연진 교수 연구팀과 공동으로 수행했다.

김근수 교수는 “그래핀 상용화의 고질적인 문제점을 해결하고자 밴드갭을 만들려는 접근법과는 반대로 포스포린처럼 이미 밴드갭을 갖고 있는 2차원 반도체의 밴드갭을 조작하여 그래핀의 우수한 물성을 유도하는 방식으로 접근했다”고 말했다.

그는 “그래핀 상용화의 고질적 문제점인 밴드갭을 해결하고, 그래핀의 장점만을 취한 것으로 2차원 반도체 물질연구의 중심이 그래핀에서 포스포린으로 이동하는 전환점이 될 것”이라고 밝혔다.