국내연구진, 차세대 반도체 물질 ‘흑린’ 성능저하 난제 규명

 
 
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산소(붉은색)가 흑린 표면에 흡착된 후 전자가 이동해 산화가 일어나고 그와 동시에 수분이 흡착돼 성능저하가 발생하는 흑린의 표면 변화과정(좌→우). 이 그림은 앙게반테 케미 2019년 12호 내부 표지로 채택됐다. /사진=한국연구재단
산소(붉은색)가 흑린 표면에 흡착된 후 전자가 이동해 산화가 일어나고 그와 동시에 수분이 흡착돼 성능저하가 발생하는 흑린의 표면 변화과정(좌→우). 이 그림은 앙게반테 케미 2019년 12호 내부 표지로 채택됐다. /사진=한국연구재단

차세대 반도체 물질로 주목받는 ‘흑린’의 성능 저하 난제가 국내 연구진에 의해 풀렸다.

한국연구재단은 이연진 연세대 교수와 김태경 한국외대 교수로 구성된 공동 연구팀이 흑린의 성능저하 원리를 규명하고 해결책을 제시했다고 11일 밝혔다. 이번 연구결과는 ‘앙게벤테 케미’ 내부 표지 논문으로 선정돼 게재됐다.

흑린은 ‘인’(P) 원소 만으로 구성된 물질로 독특한 원자배열이 특징이다. 차세대 배터리 자원으로 각광받는 그래핀과 마찬가지로 2차원 박리가 가능하며 전기 및 광학 성질이 우수하다. 전류 제어가 어려운 그래핀과 달리 흑린은 밴드갭을 조절해 전류 제어가 가능하다는 장점이 있다. 다만 공기중 산소와 수분에 취약해 연구와 응용에 어려움을 겪었다.

공동 연구팀은 흑린의 성능 저하를 결정하는 핵심 물리량은 전자 밀도임을 규명하고 이를 제어해 성능저하를 막을 수 있다는 사실을 밝혀냈다. 전자 밀도는 물질 내 특정 에너지에 존재하는 전자의 양을 의미한다. 연구팀은 공기 중 산소, 수분에 반응한 흑린이 변화하는 것을 측정한 결과 두꺼운 흑린이 얇은 흑린보다 빠르게 성능이 떨어지는 것을 확인했다.

연구팀은 “흑린이 두꺼울수록 밴드갭이 작아지고 전자 밀도는 커지며 산소·수분과 화학 반응이 가속됐다”고 설명했다.

김태경 교수는 “이번 성능저하 원인을 설명하는 이론적 모델은 다른 2차원 반도체에도 적용할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이연진 교수는 “앞으로 흑린의 표면 전자밀도를 제어해 전기적 특성 뿐만 아니라 안정성도 향상시킨 전자소재를 제작할 계획”이라고 말했다.
 

박흥순
박흥순 soonn@mt.co.kr  | twitter facebook

<머니S> 산업1팀 IT담당 박흥순입니다.

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