[헤럴드경제=이정아 기자] 실리콘을 대체하는 새로운 차세대 반도체 소재로 2차원 원자막 재료에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 대형 가전제품을 찾는 소비자들이 많아지면서 보다 값싸고 양질의 반도체 소재가 필요해졌기 때문인제요. 반도체로서 지금까지 발견된 2차원 원자막 소재 가운데 가장 주목하는 소재가 흑린입니다. 흑린은 상온에서 다른 원자막 소재에 대비 10배 이상의 빠른 전하 이동도를 보이고 또 단일 원소로 구성돼 대면적 공정이 가능한 꿈의 소재입니다.

한국과학기술연구원 황도경, 최원국 박사 연구팀과 연세대학교 물리학과 임성일 교수 연구팀이 3일 흑린 원자막과 강유전성 고분자 물질을 반도체 채널 및 유전층으로 사용해 안정적인 비휘발성 메모리 소자를 제작하는데 성공했습니다. 이러한 메모리 특성을 전압 신호로 직접 읽을 수 있습니다. 

2차원 흑린 원자막 메모리 소자 [사진=한국과학기술연구원]

2차원 흑린 원자막 소재는 0.3-2.0 eV의 밴드갭을 가지고 있어서 밴드갭이 없는 그래핀 원자막의 반도체 특성의 한계를 뛰어 넘는 차세대 반도체 물질입니다. 상온에서 수천의 전하이동도를 가지지만 공기 중의 산소 및 수분과 빠르게 반응해 흑린 원자막의 산화 및 붕괴를 일으키는 문제가 있지요.

연구팀은 강유전성 고분자 물질을 유전체 및 흑린 보호층으로 동시에 사용해 흑린 원자막의 산화를 막고 보다 안정적인 메모리 소자를 구현할 수 있었습니다.

아날로그 신호인 전류 구동 소자는 메모리 컴퓨팅 기반의 구동 소자에서 완전한 형태의 메모리 소자로 동작하지 못한다는 단점이 있습니다. 이에 연구진은 2차원 원자막 메모리 소자의 완전한 메모리 소자 구현을 위해 흑린 기반의 비휘발성 메모리소자에 외부 저항을 연결하는 인버터 형태의 소자를 제작했습니다. 

또 보다 발전된 형태인 n형 반도체와 p형 반도체로 구성된 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 구조의 강유전성 인버터 소자를 제작해 세계 최초의 강유전성 CMOS 인버터 메모리 소자를 구현하는데 성공했습니다.

최 박사는 “이번 연구는 2차원 원자막 소재 기반의 복합 논리회로 및 반도체 응용소자로의 응용 가능성에 대한 의구심을 해소시켜 주는 중요한 결과”라고 밝혔습니다. 연구 결과는 지난달 27일 ACS Nano에 게재됐습니다.

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