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그래핀 전자소자의 전류흐름 미세 제어 성공
2016-08-01

그래핀 전자소자의 전류흐름 미세 제어 성공

전자이동도 높은 그래핀 이용, 정밀전자소자 개발
미래창조과학부(장관 최양희)는 밴드갭이 없는 그래핀에서도 게이트전압만을 조정해서 전류의 흐름을 미세하게 제어하는 기법을 창안해 그래핀을 전자이동도가 높은 정밀 전자소자 개발에 응용할 수 있는 새로운 원천기술을 확보했다고 밝혔다. 이 연구는 포스텍 이후종 교수 연구팀이 미래창조과학부 기초연구사업(집단연구) 지원으로 수행했으며, 네이처 피직스(Nature Physics)에 논문명( Valley-symmetry-preserved Transport in Ballistic Graphene with Gate-defined Carrier Guiding)으로 게재됐다.


이후종 교수

그래핀은 밴드갭이 없어 전자의 에너지에 관계없이 전기가 잘 통해 전류제어가 어렵고, 이로 인해 반도체 소재로서 활용하는데 근본적 한계를 지니고 있다. 따라서 그래핀을 전자소재로 활용하기 위해서는 전류의 미세 경로를 정밀 제어하는 기법을 확보하는 것이 요구되고 있다. 전기가 흐르는 방향은 도선의 모양을 바꾸어 마음대로 조절할 수 있다.  오디오에 스피커를 원하는 곳에 놓을 수 있는 것도 도선의 모양을 마음대로 바꿀 수 있기 때문이다. 반도체 칩의 경우에는 밴드갭을 가진 반도체기판 위에 원하는 모양으로 게이트 전압을 걸어 전류의 경로를 미세하게 조정할 수 있다. ‘꿈의 신소재’로 주목받는 그래핀은 전자이동도가 매우 높고, 상온에서 구리보다 전기가 잘 통하여 차세대 전자소재로 기대를 모으고 있다.  그러나 그래핀은 통상 반도체와 달리 밴드갭이 없어 전류 제어가 어렵고, 이로 인해 반도체 소재로 활용하는 데 근본적 한계를 지니고 있다.
이를 극복하는 방법으로 그래핀을 폭이 좁은 리본모양으로 만들어 그 모양대로 전류가 흐르도록 할 수 있지만, 그래핀 리본 가장자리에서 전자의 이동성이 크게 줄어드는 문제점이 있다. 또한, 그래핀을 리본 모양으로 자르는 방법은 고기능성 정밀소자 공정에서 구현하기 어렵다. 따라서 그래핀을 전자소재로 활용하기 위해서는 전류의 미세경로를 정밀하게 제어하는 기법을 확보하는 것이 필수적으로 요구되고 있다. 이후종 교수 연구팀은 일본 물질재료연구소와 공동으로 육방정계 질화붕소결정 박막사이에 그래핀을 삽입하여 전자이동도가 매우 큰 그래핀을 제작하고, 그래핀 면의 위와 아래에 이중 게이트전압을 걸어 좁은 경로에서 전기의 흐름이 주변보다 훨씬 커지도록 조절하여 수십 나노미터의 폭을 가진 전도채널을 구현했다. 연구진은 이 경우 가장자리에서 일어나는 불규칙한 전자산란이 없어 그래핀의 고유한 전도 특성이 그대로 유지되면서 전류가 게이트 전압에 의해 형성된 수십 나노미터 폭의 좁은 경로로만 흐른다는 사실을 확인했다.

전류 제어문제 해결
정밀 전자소자 활용 가능성 열어
이 연구로 그래핀이 가지는 여러 장점에도 불구하고 밴드갭이 없어 전류를 마음대로 제어할 수 없었던 문제를 해결하고, 그래핀을 정밀 전자소자로 활용할 수 있는 길을 열게 됐다. 또한, 이 기법으로 그래핀의 고유한 전도 특성이 유지되면서 전류가 흐르는 것을 이용하여 다양한 기능성을 가진 탄도성 소자 응용을 위한 원천기술의 확보와 신개념 소자 개발이 가능해질 수 있을 것으로 기대된다. 이후종 교수는 “이 기법은 밴드갭 형성을 위해 그래핀을 좁은 리본 모양으로 절단하지 않고도 게이트 전압만으로 그래핀의 고유한 전도 특성을 유지하면서 간단하게 전류의 흐름과 방향을 미세 제어할 수 있어 그래핀을 이용한 정밀 전자소자 개발에 다양하게 활용할 수 있다”고 연구의 의의를 설명했다.
이후종 교수팀은 이 연구에서 다음과 같은 방법으로 그래핀의 고유전도특성의 발현을 방해하는 장애 요인을 제거했다.
우선 단층 그래핀을 매우 깨끗하게 준비한 육방정계 질화붕소 단결정 박막 사이에 삽입하여 원자스케일을 가지는 날카로운 불순물과 평탄하지 않은 기판 때문에 발생할 수 있는 전자의 산란을 최소화하고, 그래핀을 물리적으로 잘라내어 전류경로를 만드는 대신 상부게이트를 이용해 그래핀의 특정부위에서 전도도가 주위와 크게 달라지게 함으로써 불규칙한 가장자리 산란이 없는 그래핀 나노리본을 제작했다. 이와 같이 독특한 기법을 채택하여 제작한 그래핀 나노리본을 이용하여 그래핀의 특이한 전자구조에 의한 고유한 전도특성이 그대로 유지된 1차원적 탄도성 전도특성을 성공적으로 관측했다. 이번 연구에서 창안한 기법은 그래핀의 발견 이후에 학계에서 계속 시도해 왔으나 그간 해결하지 못했던 그래핀의 확산성 전도나 리본 가장자리에서 일어나는 불규칙한 전자산란의 영향을 최소화함으로써 그래핀의 고유한 전도특성을 이용한 다양한 기능성을 가진 탄도성 소자의 실현을 가능하게 할 것으로 기대된다.


[그림] 전압게이트를 이용해 구현된 전도채널과 그래핀 고유 전도도
밴드갭이 없는 그래핀에 전압게이트만을 이용해 수십 nm 넓이의 1차원 전도채널을 구현한 실제 시료소자의 주사전자현미경 사진(왼쪽)과 이로부터 측정된 그래핀의 고유 전도특성인 밸리 대칭성이 보존된 양자화 된 탄도성 전도특성.

<용어 설명>
01. 네이처 피직스 (Nature Physics) 학술지 : 영국 Nature Publishing Group(네이처 출판 그룹)에서 발간하는 물리분야의 세계적 권위 학술지 (Impact Factor: 20.147,2015년 기준).
02. 그래핀(Graphene) : 탄소원자로 만들어진 원자크기의 벌집 형태 구조를 가진 원자층 두께의 판상 소재. 그래핀은 현존하는 소재 중 특성이 가장 뛰어난 소재이다. 두께가 0.2 nm로 얇아서 투명성이 높고, 상온에서 구리보다 100배 이상 많은 전류를, 실리콘보다 100배 이상 빨리 전달할 수 있다. 뿐만 아니라 열전도성이 최고라는 다이아몬드보다 2배 이상 높다. 미래 기술로 각광받고 있는 휘어지는 디스플레이(flexible display)와 투명 디스플레이(transparent display)는 물론 입는 컴퓨터(wearable computer)에 적용할 수 있는 차세대 소재.
03. 게이트 : 밴드갭을 지니고 있는 반도체를 통해 흐르는 전류나 전자밀도를 제어하기 위해 반도체 물질의 표면에 전압을 거는 데 사용하는 금속 패치.
04. 밴드갭 : 반도체와 절연체에서 가전자대(valence band)와 전도대(conduction band) 간에 위치하는 전자상태밀도가 제로로 되는 에너지 대역 또는 그 에너지 차.
05. 육방정계 질화붕소 : 탄소와 붕소 원자가 1:1 비율로 서로 이웃하게 섞여 층상 구조를 이루는 물질. 이웃한 탄소와 붕소는 매우 강한 공유결합을 이루되 이웃한 층들은 약한 반데르발스 결합을 한다. 박리가 잘 되며 그래핀과 거의 같은 결정구조를 가지고 있어 전하이동도가 높은 그래핀 박막을 분리하는 기판으로 이용되고 있다.
06. 전자이동도 : 외부에서 가해진 전기장 에 대해 전자가 나타내는 전류 전자의 속도 의 비;
07. 밸리(valley) : 그래핀의 전자구조에 존재하는 상태를 나타내는 용어. 그래핀의 전자는 두 밸리 중 하나의 상태를 가진다. 즉 한 밸리에 위치한다.
08. 밸리 대칭성(valley symmetry) : 그래핀에서 전자가 산란을 하면서 밸리 상태가 바뀌지 않고 한 밸리 상태에 머물러 있는 경우 밸리 대칭성이 유지된다고 한다.
09. 탄도성 소자 : 소자 내에서 전자가 외부에서 걸어준 전기장 하에서 산란하지 않고 이동하면 이를 탄도성 전도라 하며, 소자의 작동이 탄도성 전도에 기반을 두고 이루어지는 경우 이를 탄도성소자라고 한다.
10. 확산성전도특성 : 탄도성 전도특성과 대비되는 의미로 소자 내에서 전자가 외부에서 걸어준 전기장하에서 무질서하게 산란하면서 이동하는 경우 이를 확산성전도라 한다.
11. 양자소자 : 소자에서 전자가 외부에서 걸어준 전기장에 대해 양자역학적인 파동 특성을 가지면서 이동하면 이를 양자전도라 하며, 소자의 작동이 양자전도에 기반을 두고 이루어지는 경우 이를 양자소자라고 한다. 양자컴퓨터의 기본이 되는 소자인큐빗 (qubit)이 양자소자에 속한다.



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