고효율 단전자 트랜지스터 나온다....신현석 UNIST 교수팀 '그래핀 양자점' 제조기술 개발

단전자 트랜지스터에 적용 가능한 그래핀 양자점 제조 기술을 개발한 신현석 UNIST 교수팀(왼쪽부터 홍석모, 김광우, 윤성인 연구원, 신 교수)

초미세 반도체 입자인 '그래핀 양자점'을 불순물 없이 원하는 크기로 만들 수 있는 기술이 개발됐다. 차세대 전자기기 소자로 주목받는 '단전자 트랜지스터'의 상용화에 기여할 전망이다.

UNIST(총장 정무영)는 신현석 자연과학부 교수팀이 단전자 트랜지스터에 적용 가능한 '그래핀 양자점'을 불순물이 없는 상태로 만들어낼 수 있는 '2차원 평면 복합체 제조기술'을 개발했다고 16일 밝혔다.

신 교수팀은 복합체에서 얻은 그래핀 양자점을 이용, 전자 하나만을 제어해 신호를 전달하는 '수직 터널링 단전자 트랜지스터'도 구현했다. 이 연구 성과를 담은 논문은 네이처 커뮤니케이션즈 16일자 온라인판에 실렸다.

'그래핀 양자점'은 단전자 트랜지스터를 구현할 수 있는 나노미터(㎚) 크기의 핵심 물질이다. 전류를 흘리거나 빛을 쪼이면 발광 특성을 나타내 차세대 디스플레이, 바이오 이미징, 센서 등 소재로 각광받고 있다. 에너지 소비는 적고, 정보처리 속도는 빨라 차세대 양자정보통신 소재로도 활용할 수 있다.

지금까지는 흑연 덩어리를 얇게 벗겨내는 화학적 박리법으로 만들었는데, 원하는 크기의 그래핀 양자점을 얻기 힘들고, 가장자리에는 각종 불순물이 묻어 전자의 흐름을 방해한다.

신 교수팀은 백금(Pt) 나노 입자를 배열한 실리카(SiO₂) 기판 위에 그래핀과 구조적으로 유사한 '육방정계 질화붕소(h-BN)'를 전사하고, 이를 메탄(CH₄) 기체 속에서 열처리하는 방법으로 이 문제를 해결했다.

백금 나노입자와 육방정계 질화붕소를 이용해 그래핀 양자점을 만들 수 있는 2차원 평면 복합체 제조 과정.

백금 나노 입자의 크기를 제어해 7~13㎚ 정도에서 그래핀 양자점 배열 크기를 선택적으로 조절하는데 성공, 가장자리까지 질화붕소와 화학결합을 이뤄 불순물을 최소화 했다.

이 그래핀 양자점으로 구현한 '수직 터널링 단전자 트랜지스터'는 2차원 물질을 층층이 쌓은 구조에서 전자가 이동하는 '터널링(Tunneling)' 현상을 이용해 만든 트랜지스터다. 전자를 1개씩 잡아두거나 보낼 수 있어 단전자 트랜지스터의 상용 가능성을 한층 높인 것으로 평가받고 있다.

신현석 교수는 “그래핀과 육방정계 질화붕소로 그래핀 양자점을 만들고, 이를 층층이 쌓아 수직 터널링 단전자 트랜지스터를 구현한 것을 세계 처음”이라면서 “그래핀 양자점 기반 단전자 트랜지스터 개발과 이를 이용한 차세대 전자기기 상용화에 기여할 것”이라 말했다.

울산=임동식기자 dslim@etnews.com

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