IBS·성균관대 등 공동연구팀 "그래핀-이황화몰리브덴 광센서 개발"

국내 연구진이 차세대 반도체 소재를 이용해 실리콘 반도체 두께의 10분의 1에 불과한 초박막 반도체를 개발했다.

기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단(단장 이영희)과 성균관대 유우종 교수, 미국 UCLA 시앙펑 두안 교수 공동연구팀은 1.3 나노미터(nm, 10억분의 1ｍ) 두께의 초박막 '그래핀-이황화몰리브덴' 반도체를 개발했다고 9일 밝혔다.

흑연의 표면층에서 떼어낸 탄소나노물질인 그래핀은 전기적·화학적 특성이 우수해 '꿈의 신소재'로 불리지만, 전자의 에너지 차이인 밴드갭이 없어 반도체 소자로 이용하기 어려웠다.

연구팀은 그래핀처럼 한 층으로 된 2차원 물질이면서도 밴드갭을 가진 이황화몰리브덴(MoS2)을 도입, 그래핀의 한계를 극복했다.

이황화몰리브덴과 그래핀을 쌓아올려 각각 반도체와 전극 소재로 사용해 반도체 광센서를 개발했다.

그래핀-이황화몰리브덴 반도체는 두께가 1.3나노미터로 3차원 실리콘 반도체의 한계 두께 수준인 14nm의 10분의 1에 불과하다.

실리콘 반도체의 과다 전력 소모와 발열 문제를 해결하고, 동작에 필요한 전압도 크게 낮출 수 있다.

이번에 개발한 초박막 반도체는 고효율의 광소자 개발에도 기여할 것으로 기대된다.

그래핀과 이황화몰리브덴 사이에서 발생하는 광전류 효율이 높아, 기존 광소자 제작에 쓰이는 p-n 접합 방식을 사용할 필요가 없다.

p-n 접합은 전기적 성질이 서로 다른 두 반도체 물질 간의 이종접합으로, 외부 빛을 흡수해 전기적 신호 또는 에너지를 생성하는 광소자 제작에 활용된다.

하지만 p-n 접합 구조 상 14nm 이상의 두께가 필요해, 두께가 얇은 2차원 물질로는 광소자를 개발하기 어려웠다.

유우종 교수는 "웨어러블 기기와 사물인터넷 등에 활용되는 초소형 반도체, 고효율 광전소자, 신개념 투명 유연소자 개발에 적용할 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 권위있는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'(Nature Communications) 이날자에 실렸다.

(대전연합뉴스) 박주영 기자 jyoung@yna.co.kr