고려대학교 이과대학

그래핀 활용한 고효율 트랜지스터 개발 길 열려

이층 그래핀의 층간 어긋남을 이용하여 반도체 특성 극대화 성공

◇ 이철의 교수팀, 세계적인 권위의 학술지 ‘사이언티픽 리포트’에 논문 게재

◇ 전류의 흐름을 제어할 수 없는 그래핀의 단점 극복 방법을 제안

     

□ 한국연구재단(이사장 정민근)은 미래부와 재단의 일반연구자지원사업 연구를 지원 받은 이철의 교수팀(고려대학교)이 최근 외부 전기장에 의해 유발된 이층 그래핀*의 반도체 특성이 층간 어긋남의 방향에 따라 크게 바뀜을 규명하여 이를 이용한 트랜지스터 개발에 중요한 단초를 제공했다고 밝혔다.

    * 이층 그래핀(bilayer graphene) : 그래핀은 벌집 모양으로 결합된 탄소 원자 한 층으로 이루어진 물질로 그래핀 구조 두 겹으로 이루어진 물질     
 

□ 그래핀은 열적, 전기적 특성이 뛰어나고 강철보다 단단하며 거의 투명하여 실리콘을 대체할 차세대 소재로 주목받지만 전기의 흐름을 제어할 수 있는 밴드갭*이 없어 그 동안 전자 소자로 개발이 어려웠다.

    * 밴드갭(band gap) : 자유전자를 만들어 전류가 흐르게 하는 에너지의 크기로 물질마다 다르다. 밴드갭이 0이면 도체, 밴드갭이 작으면 반도체, 크면 부도체의 특성을 보임.

 

□ 이철의 교수팀은 두 겹의 그래핀으로 이루어진 물질인 ‘이층 그래핀’이 전기장을 이용해 밴드갭 조절이 가능하다는 것에 착안하여 그 원인에 대해 탐구하였다. 연구 결과, 이층 그래핀의 한 층을 다른 한 층에 대해 수평 방향으로 살짝 어긋나게 했을 때, 어떤 방향으로 얼마나 어긋나는가에 따라 밴드갭을 발생시키는 전기장이 0이 되기도 하고 매우 큰 값이 되기도 한다는 사실을 밝혔다.  

 

 <그림 1> 이층 그래핀의 구조와 층간 어긋남. (a) AB-적층된 안정한 이층 그래핀의 구조. 그래핀 평면에 수직한 z-축 방향으로 본 그림. y-축이 암체어 방향에 해당한다. 파란색과 노란색의 구는 각각 아래층과 위층의 탄소원자에 대응한다. (b와 c) y-축 방향으로 발생한 층간 어긋남을 보여준다.

<그림 2> 전기장에 의해 유발된 밴드갭은 층간 어긋남에 극히 민감하다. 밴드갭 Eg를 수직 전기장 Fz의 함수로 보인 그림. 그림의 숫자는 y-축 방향으로 발생한 층간 어긋남의 크기를 옹스트롬 (10-10 m) 단위로 표시. 화살표는 밴드갭이 생성되는 최소 전기장 (임계전기장)을 표시. (a) 층간 어긋남이 +y 방향으로 발생할 때. 층간 어긋남이 증가하면 임계전기장도 증가한다. (b) 층간 어긋남이 -y 방향으로 발생할 때. 층간 어긋남과 무관하게 임계전기장은 0이다.

□ 세계적인 학술지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’에 지난 12월 게재된 이 연구 논문은 그 동안 이층 그래핀이 실험에 따라 밴드갭이 관측되기도 하고 관측되지 않았던 하나의 원인을 규명하는 것이기도 하다. 
 

□ 이 연구성과는 기존의 실리콘보다 전자 전달 속도는 10배 이상 빠르고 훨씬 더 미세한 공정이 가능한 그래핀의 전자 소자 적용 가능성을 한 단계 끌어올려, 초소형 고효율 트랜지스터의 개발을 앞당기게 될 것으로 기대된다. 

참고1. 연구결과 주요내용

1. 연구배경

  ㅇ 그래핀은 열적 전기적 특성이 뛰어나??체할 차세대 소재로 주목받고 있지만, 밴드갭이 없다는 점은 반도체 소자로써의 응용에 단점으로 여겨진다. 이층 그래핀의 경우, 그래핀의 장점을 공유할 뿐더러 그래핀 층에 수직한 전기장을 이용하여 밴드갭을 조절할 수 있다.

  ㅇ 외부 전기장이 없는 경우, 이층 그래핀은 밴드갭이 없는 것으로 알려졌으나 이론 및 실험에서 다소 논란이 있다. 밴드갭을 확인하는 실험은 이층 그래핀의 위와 아래에 이중의 게이트전극을 설치하여 전하운반자 농도와 전기장을 동시에 조절하는 방식으로 이루어져 왔다. 일부의 실험에서는 밴드갭이 관측되었으나 다른 실험은 밴드갭이 관측되지 않았다. 이론적 측면에서는, 전자 사이의 상호작용에 의해 밴드갭이 형성될 수도 있을 것으로 예측하며 이 때 이층 그래핀은 위상학적으로 평범하지 않은 위상상태가 (topologically nontrivial state-그래핀의 중심부는 밴드갭이 있는 절연체이지만 가장자리는 밴드갭이 없는 금속이 되는 것) 된다.

  ㅇ 안정한 상태의 이층 그래핀을 그래핀 평면에 수직한 방향에서 보면, 어느 한 층에 있는 탄소 원자는 다른 층의 탄소 원자 바로 위에 있거나 혹은 다른 층의 탄소원자들로 구성된 육각형의 정중앙에 위치한다. 이와 같은 이층 그래핀을 AB-적층된 이층 그래핀으로 부른다. 탄소 원자가 놓일 수 있는 서로 다른 두 개의 위치가 (A와 B) 존재한다는 의미이다. 결함과 불순물 및 격자의 변형 등은 이층 그래핀의 전기적 특성에 영향을 줄 수 있다. 이층 그래핀에서 두 층이 상대적으로 회전한 경우 외부 전기장이 존재해도 밴드갭이 형성되지 않는다는 것이 알려졌다. 이층 그래핀의 두 층이 그래핀 평면 방향으로 상대적 이동을 하면 두 층의 탄소원자의 상대적 위치가 어긋난다. 최근에, 이와 같은 층간 어긋남이 페르미 준위 (Fermi level) 근처의 에너지밴드 구조를 크게 바꾼다는 것이 알려졌다. 매우 작은 층간 어긋남만으로도 에너지밴드 구조에 큰 변화를 일으키기 때문에 전기적 특성에 미치는 영향도 클 것으로 예측된다.

  ㅇ 이에 대해 이철의 교수팀의 이번 논문에서는 외부 전기장에 의해 유발된 이층 그래핀의 밴드갭이 층간 어긋남에 극도로 민감하여 상반된 실험결과의 원인이 될 수 있다는 것을 밝혔다.

 2. 연구내용

  ㅇ 본 연구는 제일원리계산 방법을 사용하여 이층 그래핀의 층간 어긋남이 전기장에 의해 생성되는 밴드갭에 미치는 영향을 연구했다.

  ㅇ 안정한 이층 그래핀에서 페르미 준위 근처의 에너지밴드 구조는 4개의 디랙원뿔 (Dirac cones)로 구성되며 밴드갭이 없다. 본 연구는, 이층 그래핀의 암체어 (arm-chair) 축 방향으로 일어나는 층간 어긋남을 조사했다. 암체어 축의 어느 한쪽 방향으로 층간 어긋남이 계속 증가하다보면, 모든 탄소 원자가 다른 층의 탄소원자 바로 위에 위치하는 AA-적층으로 바뀌게 된다. 이 방향을 AB->AA 방향이라고 부르자. 정반대 방향으로 층간 어긋남이 계속 증가하다보면, 모든 탄소원자가 다른 층의 육각형 정중앙에 위치하는 AA′-적층으로 바뀌게 된다. 이 방향을 AB->AA′ 방향이라고 부르자. 안정한 (AB-적층된) 이층 그래핀에서 매우 작은 층간 어긋남이 있어도 에너지밴드 구조가 크게 변하여 페르미 준위 근처의 에너지밴드 구조는 단지 두 개의 디랙원뿔로 구성된다. 이 때,  층간 어긋남이 AB->AA 방향으로 발생하는 경우 두 디랙원뿔의 디랙에너지는 동일하고, 층간 어긋남이 AB->AA′ 방향으로 발생하는 경우 두 디랙원뿔의 디랙에너지는 다른 값을 갖는다. 이는 기존의 다른 이론으로 계산된 결과와 일치한다.

  ㅇ 본 연구는 각각의 방향으로 층간 어긋남을 증가시키면서 전기장에 의해 생성되는 밴드갭의 변화를 조사했다. 안정한 이층 그래핀에서는 대략 10 mV/nm보다 작은 전기장은 밴드갭을 생성하지 못한다. 따라서 밴드갭 생성에 필요한 최소 전기장, 즉 임계전기장은 대략 10 mV/nm이다. 층간 어긋남이 AB->AA′방향으로 증가하는 경우, 층간 어긋남이 증가할수록 임계전기장도 증가한다. 반면에 층간 어긋남이 AB->AA 방향으로 증가하는 경우, 층간 어긋남에 무관하게 임계전기장은 0이다. 즉 무한히 작은 전기장으로도 밴드갭이 생성되는 것이다. 이 결과로부터, 층간 어긋남은 이층 그래핀에 대한 상반된 실험결과를 (일부는 밴드갭을 관측하고 일부는 밴드갭을 관측하지 못한) 유발하는  한 원인으로 판단할 수 있다. 전기장을 측정하는 보편적 방법으로는, 전기장의 함수로 밴드갭을 측정하고 전기장이 없는 경우까지 외삽하여 밴드갭의 유무를 확인하다. 매우 작은 층간 어긋남만으로도 임계전기장이 0이거나 매우 큰 값을 가질 수 있으므로, 실험에 사용된 이층 그래핀 시료의 상태에 따라 밴드갭을 관측하거나 못할 수 있다.

 
3. 기대효과

  ㅇ 본 연구는 이층 그래핀의 밴드갭이 층간 어긋남에 극히 민감하다는 것을 확인함으로써 이층 그래핀의 밴드갭에 대한 이론적 실험적 논란을 해소할 수 있는 단초를 제공한다.

  ㅇ 이층 그래핀 전계효과트랜지스터의 특성은 층간 어긋남에 매우 민감하다. 따라서, 이층 그래핀 시료에서 층간 어긋남을 확인하는 방법이 필요하다. 최근의 문헌에서는 분광학적 방법(이층 그래핀에서 반사된 빛의 색 변화를 관측)으로 층간 어긋남을 확인하는 방법을 제안했다. 이에 비해, 본 연구는 이층 그래핀 전계효과트랜지스터를 제작하여 전기장의 함수로 밴드갭을 측정하면 층간 어긋남의 존재를 바로 확인할 수 있는 방법을 제공함으로써 이층 그래핀 전계효과트랜지스터 개발을 촉진할 것으로 기대한다.

참고2. 용어설명

1. 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 誌

  ○ 사이언티픽 리포트 (Scientific Report)는 과학분야 최상위 학술지인 Nature지의 자매지 중 하나로 2011년도부터 온라인 출판되었으며, 학술지표 평가기관인 Thomson JCR 기준 전세계 복합 자연과학 분야 (Multidisciplinary sciences) 학술지 중 5위에 해당하는 영향지수 (impact factor 5.578)를 가지고 있다.

 
2. 에너지밴드 구조 (Energy band structure)

  ○ 양자 물리학은 물질의 성질을 에너지밴드 이론으로 설명한다. 전자는 에너지 밴드에 해당하는 에너지만을 가질 수 있다. 전자가 가득 채워진 에너지밴드를 원자가밴드 (valence band)라 하고, 그 위에 전자가 없는 에너지밴드를 전도밴드 (conduction band)라 한다.

 
3. 밴드갭 (band gap)

  ○ 원자가밴드와 전도밴드 사이의 간격. 전자는 밴드갭에 해당하는 에너지를 가질 수 없다. 밴드갭은 물질의 전기적 특성을 결정짓는 중요한 양으로, 밴드갭이 0이면 금속성을 밴드갭이 유한한 값을 가지면 반도체 (또는 절연체) 특성을 보인다.

 
4. 제일원리계산 (First-principles calculations)

  ○ 현대 물리학의 가장 근본적인 원리인 양자물리학에 기반하여 물질의 특성을 컴퓨터 시뮬레이션 하는 방법. 

 

5. 페르미 준위 (Fermi level)

  ○ 전자가 채워진 가장 높은 에너지. 페르미 레벨이 밴드갭 안에 위치하면 반도체 (또는 절연체) 특성을 보이고 페르미 레벨이 에너지 밴드 안에 위치하면 금속성을 보인다.

6. 위상 상태 (topologically nontrivial state)

  ○ 기존의 양자 물리학은 물질의 성질을 에너지밴드로 설명해왔으며, 전자의 파동함수는 물성에 영향을 주지 않는 것으로 여겼다. 실제로 이런 설명은 매우 잘 맞는다. 하지만 최근에는 파동함수에 의해 결정되는 위상상태가 물성에 큰 영향을 준다는 것이 알려졌다.

  ○ 에너지밴드 이론에서 절연체는 단순히 밴드갭으로 정의되지만, 위상상태가 다른 여러 가지 위상 절연체 상태가 존재할 수 있다.

 
7. 디랙원뿔 (Dirac cones)

  ○ 에너지밴드 구조는, 보편적으로, 운동량을 x-축 그리고 에너지를 y-축으로 놓은 평면 그림으로 표현된다. 에너지밴드는 포물선 형태의 이차 함수이며, 포물선의 곡률은 그 밴드에 속한 전하운반자의 유효질량 (effective mass)에 해당한다. 하지만, 그래핀의 페르미레벨 근처 에너지 밴드는 직선이고 따라서 전하운반자의 유효질량은 0이다. 이와 같은 에너지-운동량 관계는 전하운반자가 상대론적 영역에 있다는 의미이고 상대론적 파동방정식인 디랙 방정식으로 기술된다. 평면 그림에서 직선으로 나타나는 밴드는 3차원 그림에서는 원뿔이 되기 때문에, 디랙 방정식으로 기술되는 밴드를 디랙원뿔이라고 부른다.

8. 디랙에너지 (Dirac energy)

  ○ 각각 전도밴드와 원자가밴드에 대응하는, 위와 아래의 디랙원뿔이 만나는 에너지를 디랙에너지라 부른다. 평면 그림에서는 두 개의 직선 밴드가 교차하는 에너지에 해당한다.

9. 그래핀 (graphene)

  ○ 다이아몬드 또는 숯과 같이 탄소만으로 이루어진 물질. 탄소들이 모여 벌집 모양의 평면 구조를 형성한 물질. 그래핀 층이 쌓여 흑연이 된다. 그래핀은 전기적 특성이 뛰어나고 강철보다 단단하며 거의 투명하다.

 

10. 이층 그래핀 (bilayer graphene)

  ○ 두 개의 그래핀이 쌓인 물질. 이층 그래핀은 그래핀과 같은 장점을 가질 뿐 아니라, 그래핀 층에 수직한 외부전기장을 이용해 밴드갭을 조절할 수 있어서 실리콘을 대체할 차세대 소재로 주목받고 있다.

11. 암체어 방향 (arm-chair direction)

  ○ 암체어 방향으로 그래핀을 자르면 가장자리가 팔걸이 의자모양이다. 탄소-탄소 결합 방향에 해당. 탄소-탄소 결합에 수직한 방향으로 자르면 가장자리가 지그재그 형태이므로 지그재그 방향 (zigzag direction)이라 부른다.

 
12. 층간 어긋남 (lateral interlayer shift)

  ○ 층밀리기 변형과 (shear strain) 유사. 양손바닥을 비빌 때 한 손바닥이 다른 손바닥에 대해 수평 방향으로 이동하는 것처럼, 이층 그래핀의 한 층이 다른 층에 대해 수평 방향으로 약간 이동한 상태.

   
13. 전계효과트랜지스터 (field-effect transistor, FET)

  ○ 반도체 평면에 수직한 전기장을 걸어 전류의 흐름을 조절하는 방식으로 다양한 효과를 일으키는 전자소자. 대부분의 전기회로에서 활용한다. FET의 단순한 구조는 소스, 드레인 및 게이트라고 불리는 전극으로 구성된다. 소스와 드레인 전극사이에 전류가 흐르고, 게이트전극에 전류에 수직한 전압이 인가되어 전류흐름을 조절한다.