머리카락 10만분의 1! ‘포스포린’으로 
고성능 반도체 실용화의 길을 열다.

포항공대  물리학과  김근수 교수

원자 한겹으로 이뤄진 2차원 물질로 머리카락 굵기의 10만분의 1인 0.5nm에 불과한 포스포린. 인(P)원자로 된 흑린에서 표면 몇 개 층을 떼어낸 2차원 물질로 알려진 포스포린을 도체 및 절연체로 자유자재로 조절할 수 있는 방법을 김근수 포항공대 물리학과 교수 연구팀이 개발해 화제를 모으고 있다. 

이번 연구를 통해 원자 한겹 두께에 불과하지만 고성능을 갖춘 반도체 소자를 개발할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있는 가운데 컴퓨터 칩이나 발광다이오드(LED)를 만드는 전자소자나 전기신호를 이용해 빛을 만드는 광전소자 등에 폭넓게 활용할 수 있을 예정이다. 그동안은 철보다 강하고 구리보다 전류가 잘흐르는 뛰어난 특징을 가지고 있어 꿈의 신소재로 불리는 ‘그래핀’이 있었지만 밴드갭이 없어 전류의 흐름을 통제할 수 없다는 약점이 있었다. 밴드갭은 물질의 고유한 물리량으로 전자의 이동을 가로막는 장벽의 높이로 밴드갭의 값이 0에 가까울수록 전류가 쉽게 흐르며 밴드갭을 조절하면 전류의 흐름도 조절가능하게 된다. 연구팀은 포스포린의 표면에 칼륨 원자를 흡착시켜, 밴드갭에 폭넓은 변화를 주는 기술을 개발하였다. 뿐만 아니라 그래핀의 초고속 전도성과 유사한 성질을 포스포린에도 선택적으로 유도하는데 성공하였으며, 이는 초소형 반도체 개발에 핵심 역할을 할 예정이다. 

그래핀과 견주어도 손색없으며 그 단점까지 극복하는 포스포린을 김근수 교수 연구팀이 개발하여 고속소자에 활용하는 새로운 가능성을 열게 된 것이다. 그래핀은 육각벌집 형태의 원자 배열을 가지고 있어 전자 물성의 변형이 어려운 단점을 갖으나 포스포린은 유사한 원자 배열이 규칙적으로 구부러져 있어 외부 압력이나 전기장에 의해 물성제어가 쉬운 특징을 자랑한다. “하지만 실제로 포스포린 트랜지스터를 제작하고 공기중에서 포스포린의 산화를 막는 기술개발 등 추가적인 연구가 필요합니다. 빠른 시일에 보완해서 보다 반도체 물질연구의 성과를 거두도록 최선을 다할 것입니다.” 김근수 교수팀의 이러한 연구 성과는 세계 최고 권위 과학저널인 사이언스에 지난 8월 14일 게재 되었으며, 2차원 물질을 기반으로 하는 초소형 전자소자의 상용화가 곧 이루어지길 기대해 본다. 

연구를 진두지휘하고 있는 김근수 교수는 연세대 물리학과에서 박사학위를 취득했으며, 미국 로렌스버클리연구소 박사후 연구원을 거쳐 현재 포항공대 물리학과 조교수로 재직중이며 IBS 원자제저저차원전자계연구단 학연교수를 겸직중이다. 
(홈페이지: http://kskim.postech.ac.kr)