그래핀만으로 반도체 소자 형성
접어지는 디스플레이 등 새로운 기기 개발 가능성 열어

응용물리학과 최석호 교수팀이 '꿈의 신소재’로 불리는 나노물질 그래핀을 이용해 'p-n 접합 다이오드’를 개발했다. p-n 접합 다이오드는 반도체의 기초가 되는 소자로, 전류가 순방향 전압에서만 흐르고 역방향에서는 흐르지 못하게 하는 성질이 있다. 지금까지 실리콘으로 만든 p-n 접합 다이오드가 반도체에 이용되고 있을 뿐 그래핀 p-n 접합으로 다이오드를 발견한 경우는 없었다. 그래핀은 매우 얇고 투명하면서 잘 휘어지는 특장점이 있어 실리콘 p-n 접합 다이오드로는 만들 수 없는 새로운 광·전자나 디스플레이 기기 개발을 가능하게 한다. 최석호 교수는 "그래핀 p-n 접합 다이오드를 통해 공중에 뜨는 디스플레이, 접어지는 디스플레이 등도 만들어낼 수 있다"고 설명했다.

연구결과, 나노과학 저널 <ACS Nano>에 게재
기존 그래핀 연구는 대부분 수평적 접합 방식을 사용했는데 클라인 터널링(Klein tunneling)이라는 현상 때문에 전류가 양방향으로 흘러 다이오드 개발이 불가능했다. 최석호 교수팀은 수직으로 p-n 접합을 시도했고, 이때 도핑물질에 의해 중간층이 두텁게 형성, 한쪽 방향으로만 전류가 흐르는 '터널링 다이오드’가 되는 것을 발견했다. 연구 성과를 담은 논문 '그래핀 p-n 수직형 터널링 다이오드’는 세계적 나노과학 저널 <ACS Nano> 5월 21일자 인터넷판에 실렸다.

"그동안 실리콘과 그래핀을 접합한 복합 구조의 p-n 접합 다이오드 연구는 많았지만 기능이 실리콘 특성에 기반한 것이라는 한계가 있었다"고 전한 최석호 교수는 "이번 연구는 양쪽 다 그래핀을 이용한 상태에서 실리콘의 전기적 성질을 완전히 구현해냈다는 점에서 의의가 크다"고 밝혔다. 이번에 개발된 그래핀 p-n 다이오드는 비교적 낮은 편인 10V 정도의 전압에서 약 10³의 높은 스위칭 비율을 보여, 기존의 다른 그래핀 소자보다 구조와 성능이 우수하다. 또한 화학기상증착법(CVD)을 통해 큰 면적으로 제작해 그래핀의 상용화 가능성을 더욱 높였다.

최석호 교수는 "그래핀만으로도 충분히 반도체 소자를 만들 수 있다는 것을 이번 연구를 통해 밝혀냈다"면서 "그래핀의 장점이 많은 만큼 앞으로 실리콘을 대체해 산업에 다양하게 활용될 수 있을 것"이라고 기대감을 드러냈다. 최석호 교수는 앞으로 그래핀 p-n 다이오드를 기반으로 한 LED, 메모리, 디스플레이 기기 등 구현을 위해 연구를 계속 발전시켜갈 계획이다.