한국연구재단(이사장 조무제)은 김상우 성균관대 교수 연구팀이 원자 한층이 얇은 두께를 갖는 2차원 물질에서 발생하는 전정기 현상을 이용해 전기적 특성을 제어하는 그래핀 전자소자 기술을 개발했다고 2일 밝혔다.

그래핀, h-BN, MoS2 등 2차원 물질은 원자 수준의 매우 얇은 두께를 갖는 물질로, 전기적 특성이 우수해 차세대 전자소재로 활용하기 위한 연구가 전 세계적으로 진행 중이다.

하지만 2차원 물질로 이루어진 전자소자는 제작 공정이 복잡하고, 집적화가 어렵다. 또 전류의 on/off를 조절하는 게이트 위치나 형태, 크기를 수정할 수 없어 상용화가 어려웠던게 사실이다.

연구팀은 2차원 물질이 매우 얇은 두께를 갖고 있어 외부 전기장에 의해 특성이 민감하게 변하는 점에 착안했다. 간편하게 전기장을 형성시킬 수 있는 마찰전기를 통해 물질 특성을 제어할 수 있겠다는 데 주목했다.

연구팀은 화학기상증착법으로 합성된 그래핀으로 샘플을 제작해 일정 영역을 마찰 시킨 후 표면을 측정한 결과 마찰 영역에서만 전기가 형성되는 것을 확인했다. 정전기 현상은 긴시간, 여러 일 이상 안정하게 유지됐다.

이처럼 2차원 물질의 새로운 정전기 현상은 필요에 따라 무형의 게이트를 형성시키고 수정·삭제할 수 있어 게이트가 따로 필요하지 않아 제어가 간편하다. 그래핀 뿐만 아니라 다양한 2차원 물질에서도 전기적 특성을 제어할 수 있다.

특히 나노미터 수준의 미세제어가 가능해 초고밀도의 집적화로 제조단가와 제작시간도 크게 줄일 수 있을 전망이다.

이번 연구는 그래핀에 정전기(마찰전기)를 일으켜 필요에 따라 형성·삭제할 수 있는 게이트 형성 방법을 최초로 발견했다는데 의미가 크다. 이를 통해 그래핀의 전기적 특성을 제어하는 정전기 방식의 새로운 트랜지스터의 가능성을 제시했다.

김상우 교수는 "이 연구는 정전기를 활용한 새로운 방식으로 2차원 물질이 가진 소재적 한계를 극복한 전자소자를 개발한 것"이라면서 "향후 나노 수준의 미세 제어 기술로 초고밀도 집적화를 통한 초고용량 메모리 저장 전자소자, 그래핀 투명전극, 반도체 소자 내 전극 소재 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다"고 연구의 의의를 설명했다.

연구는 미래창조과학부·한국연구재단 기초연구지원사업(개인연구)의 지원으로 수행됐다. 결과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 지난달 26자에 게재되었다.