‘꿈의 소재’ 그래핀 기반 기능성 반도체 개발 성공.. 전력 소모 적고 처리 속도 빨라

전력 소모가 적고 처리 속도가 빠른 '꿈의 반도체 소재'가 나왔다.

미국 조지아공대 연구팀이 탄화규소 웨이퍼 상에 여러 층의 그래핀을 올려 기능성 반도체를 개발했다고 3일(현지시간) 국제학술지 '네이처'에 발표했다.

그래핀은 열과 전기를 전달하는 전도성이 뛰어나 '꿈의 소재'로 불리며 차세대 반도체 소재로 주목 받고 있다.

제작된 그래핀 기반 반도체는 기존 실리콘 반도체보다 10배 이상 높은 전자 이동도를 보였다. 또 0.6전자볼트(eV)의 밴드갭이 관찰됐다. 이는 지금까지 그래핀에서 관찰된 밴드갭 중 가장 큰 값이다.

연구팀은 이번 연구에서 개발한 그래핀 반도체에 대해 "현재 나노 전자공학에서 사용되는 데 필요한 모든 특성을 갖춘 유일한 2차원 반도체"라고 말했다.

그래핀이란?

그래핀은 탄소 원자들이 육각형 벌집 모양의 결정 구조로 결합해 0.2나노미터(10억분의 1미터, nm)로 이뤄진 막으로 된 물질이다. 사람이 인공적으로 만든 물질 중에 가장 얇은 두께를 가졌다.

그래핀은 다음과 같은 특성을 가지고 있다.

빠른 전자 이동 속도
기존 실리콘 반도체의 전자 이동 속도는 초당 1000m/s 정도인데, 그래핀은 10만m/s에 달한다. 이는 처리 속도가 최대 142배 빨라질 수 있다는 것을 의미한다.

높은 전기전도율
기존 실리콘 반도체의 전기전도율은 구리의 1/100 정도인데, 그래핀은 구리의 100배에 달한다. 이는 전력 소모를 크게 줄일 수 있다는 것을 의미한다.

소형화에 유리한 얇은 두께
그래핀은 0.2nm로, 기존 실리콘 반도체의 100분의 1 수준이다. 이는 반도체 소자 소형화에 유리하다.

그래핀의 응용 분야

그래핀은 뛰어난 특성으로 인해 다양한 분야에서 응용될 수 있는 잠재력을 가진 물질로 주목받고 있다.

반도체:
그래핀은 전자 이동 속도가 빠르고 전력 소모가 적기 때문에 차세대 반도체 소재로 각광받고 있다.

전지:
그래핀은 전도성이 높고 부피가 작기 때문에 고용량 전지 개발에 활용될 수 있다.

센서:
그래핀은 전기적, 기계적, 화학적 특성이 우수하기 때문에 다양한 종류의 센서 개발에 활용될 수 있다.

디스플레이:
그래핀은 투명하고 전도성이 높기 때문에 투명 디스플레이 개발에 활용될 수 있다.

그래핀의 단점

이번 연구 결과가 실제 범용 반도체 개발로 이어질지는 미지수다. 일부 전문가들은 이번 연구가 매우 제한적인 조건에서 이뤄졌기 때문에 상용화에 어려움이 있을 것으로 전망했다.

높은 생산 단가
그래핀은 아직 대량 생산 기술이 개발되지 않아 생산 단가가 높다.

그래핀의 열화 문제
그래핀은 열에 약하기 때문에 열처리 과정에서 열화될 수 있다.
그래핀의 상용화를 위해서는 그래핀의 생산 단가를 낮추고 열화 문제를 해결하기 위한 기술 개발이 필요하다.