▣ ‘그래핀 p-n 수직형 터널링 다이오드’ 개발한 최석호(응용물리학)교수

지난 달 26일 우리학교 최석호(응용물리학) 교수 연구팀이 세계최초로 ‘그래핀 p-n 수직형 터널링 다이오드’ 개발에 성공했다는 발표가 나왔다. 이 연구는 차기 광·전자 및 디스플레이 기기 개발과 상용화에 한걸음 더 다가간 성과다.

그래핀이란 탄소 원자 한 층으로 이뤄진 결정으로, 투명하며 잘 구부러지는 성질을 가진 물질이다. 이는 현재 활용중인 반도체소자의 기본 물질인 실리콘이 지니지 못한 특성이기에 그래핀은 실리콘을 대체, 보완할 수 있는 물질로 부각되고 있다. 그러나 그래핀은 반도체의 기본 소자 구조인 ‘p-n 접합’을 이루었을 때 ‘클라인 터널링 현상’에 의해 다이오드 특성을 띠지 않는 것으로 알려져 있어 그래핀을 소자로 제작하여 실용화하기에는 어려움이 많았다.

이번에 개발된 ‘그래핀 p-n 수직형 터널링 다이오드’는 그러한 부분을 해결한 기술이다. 최 교수는 “기존 전자 기기에는 실리콘으로 만들어진 양극성 트랜지스터가 많이 사용되는데, 그 트랜지스터의 기본구조가 p-n 접합 다이오드다”라며 “이 특성을 재현해야만 전자기기에 응용할 수 있는데 이번 연구에서 그래핀만을 사용해 p-n 다이오드 특성을 재현해 낸 것이다”라고 설명했다.

최 교수의 연구 전, 기존의 방식은 p, n 그래핀의 양 끝을 붙이는 수평 접합이었다. 이 경우 클라인 터널링 현상에서 예측된 바와 같이 다이오드 특성을 보일 수가 없었다. 그러나 최 교수 연구팀은 p, n 그래핀을 수직으로 접합했을 경우 그래핀의 경계면에 중간층이 형성되어 일종의 ‘금속-부도체-금속’ 또는 ‘금속-반도체-금속’ 형식을 띤 ‘터널링 다이오드’가 되는 것을 발견했다. 뿐만 아니라 해당 기술로 제작된 ‘그래핀 p-n 다이오드’는 비교적 낮은 전압에서도 기존의 다른 그래핀 소자보다 구조와 성능면에서 더욱 우수한 면을 보여 실용소자로의 가능성 또한 높다는 사실을 입증했다.

최 교수는 “공상과학영화 속에서나 볼 수 있던 휘어지는 전자 신문을 만드는 것도 가능하다”라며 “이번 기술을 통해 앞으로 그래핀 p-n 다이오드에 기반을 둔 광·전자 및 디스플레이 기기 개발에 있어 지금보다 더욱 다양한 가능성을 구현시킬 수 있을 것이다”라고 설명했다.

한편, 최 교수 팀은 이번 연구로 총 세 번, 세계 최초의 일을 해냈다. 첫 발견은 2010년 ‘그래핀의 광증폭 작용’이었으며 두 번째는 지난해 이뤄진 ‘그래핀 양자점의 발광에너지가 양자점의 크기에 따른 모양 및 가장자리 상태의 변화에 의존하는 사실’이다. 마지막으로 이번 ‘그래핀 p-n 수직형 터널링 다이오드’는 ‘그래핀 p-n 다이오드’를 개발했다는 것뿐만 아니라, 수직 접합을 시도해서 성공했다는 의미로도 세계 최초다. 하지만 최 교수는 세계 최초라는 부분에 큰 의의를 두지는 않았다. 그는 “아직 개발해야 할 부분이 많고, 지금은 더욱 노력해야 할 때”라고 말했다. 새로운 분야, 새로운 기술을 개발해 나가는 최첨단에 서 있는 최 교수와 그의 연구팀이 앞으로도 좋은 활약을 보이길 기대한다.