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그래핀 뛰어 넘는 미래 신소재 개발 가능성 열어

  • 등록 2016.03.05 16:58:32
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포항공과대학교 김근수 교수가 2차원 물질인 포스포린의 전자물성 제어기술 개발을 통해 초소형, 고성능 반도체 신소재 개발의 발판을 마련했다. 


이번 연구를 통해 신소재로 각광받고 있는 그래핀의 최대 단점인 전류흐름 통제의 어려움을 극복하고 초박막 반도체 신소재의 상용화 가능성을 열게 됐다.

 

그래핀이란 탄소들이 벌집 모양처럼 배열된 나노 물질로, 실리콘보다 전자 이동성이 빨라 미래 신소재로 주목받고 있다. 한편, 포스포린은 인(P) 원자로 된 흑린의 표면 몇 개 층을 떼어낸 나노 물질로, 그래핀과 원자 배열이 유사하나 규칙적으로 주름진 독특한 구조를 갖기 때문에 물성 조작에 용이하다. 


김근수 교수는 포스포린 밴드갭(에너지 영역)을 변환시켜 물성을 반도체에서 도체까지 자유자재로 변환 가능한 기술을 개발했다. 또한 새로운 양자 상태를 발견했다.


그래핀의 특이 물성 근원에 해당하는 디락 준도체 상태를 포스포린에서 최초로 발견해 다양한 후속 연구의 밑바탕을 마련하는 등 신소재 관련 기술 발전에 크게 기여했다는 평을 받았다.


미래창조과학부와 한국연구재단은 ‘이달의 과학기술자상’ 3월 수장자로 선정했고, 세계 최고 수준의 학술지 사이언스에 논문을 게재하는 등 학문적 가치를 인정받았다.

 

디락 준도체 상태(Dirac Semimetal State)는 전자가 유효질량을 갖는 통상적인 입자와 달리, 유효질량이 없는 상대론적인 입자의 특성을 띠는 특이 상태이다.

 

김근수 교수는 "2차원 물질은 우리가 생각할 수 있는 가장 얇은 형태의 물질로 그 두께가 불과 원자 한두 층에 이르면 통상적인 3차원 물질과는 다른 매우 독특한 물성을 갖기도 한다"며, "가장 잘 알려진 2차원 물질인 그래핀과 함께, 최근에는 전기전도성 제어가 좀 더 용이한 포스포린 등이 새롭게 주목받고 있고, 2차원 물질 상용화를 위해서는 앞으로 고유 물성의 한계를 극복하는 기술이 매우 중요할 것"이라고 말했다.

 

 

그림. 2차원 반도체 포스포린의 밴드갭 제어의 모식도

 

위 그림의 보라색은 인(P) 원자를, 푸른색은 칼륨(K)원자를 나타낸다. 포스포린 표면에 흡착된 칼륨 원자는 전자를 도핑하고 강력한 전기장을 유발하여 인접한 포스포린에 밴드갭 변화를 유발한다. 


여기서 칼륨 원자의 밀도를 원자 단위로 정밀하게 조절하여 포스포린 밴드갭을 폭넓게 제어하는 데 성공했다. 즉, 포스포린의 전기전도성을 효율적으로 제어할 수 있음을 의미한다.

  

추경미 기자 (ckm@hellot.net)






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