삼성전자, 꿈의 신소재 '그래핀' 트랜지스터 구조 개발

삼성전자 종합기술원이 '꿈의 신소재'로 불리는 그래핀을 활용한 새로운 트랜지스터 구조를 개발하고, 세계적 권위의 학술지인 사이언스 온라인판에 미국 현지 시간 17일자로 게재했다.

그래핀(Graphene)은 6각형 벌집모양의 탄소 구조로 이루어진 흑연에서 떼어 낸 한 겹의 나노 소재의 탄소 원자막으로 실리콘보다 100배 이상 빠르게 전자를 이동시킬 수 있고 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하며, 강철보다 200배 강한 강도와 뛰어난 탄성으로 늘리거나 구부려도 전기적 성지를 잃지 않는 특성등으로 특히 휘어지는 디스플레이와 같은 것을 만들 수 있는 미래 신소재로 각광받고 있다.

▲ 그래핀 소자가 적용된 웨이퍼

현재의 반도체에는 실리콘(Si) 소재의 트랜지스터가 수십억 개씩 들어 있으며 반도체 성능을 높이려면 트랜지스터의 크기를 줄여 전자의 이동 거리를 좁히거나 전자의 이동도가 더 높은 소재를 사용해 전자가 빠르게 움직이게 해야 한다. 이에 따라 높은 전자 이동도를 갖고 있는 그래핀은 실리콘을 대체할 물질로 각광받아 왔으나, 그래핀이 금속성을 지니고 있어 전류를 차단할 수 없다는 점이 문제점으로 지적되어 왔다.

트랜지스터에서는 전류의 흐름과 차단으로 디지털 신호인 '0과 1'을 나타내므로 그래핀을 실리콘 대신 사용하기 위해서는 반도체화 하는 과정을 거쳐야만 한다. 그러나 이 과정에서 그래핀의 이동도가 급감하므로 그래핀 트랜지스터에 대한 회의적인 시각이 많았다.

이번에 삼성전자 종합기술원은 새로운 동작원리를 적용하여 그래핀 자체를 변화시키지 않으면서 전류를 차단할 수 있는 소자를 개발한 것. 즉, 그래핀과 실리콘을 접합하여 쇼키 장벽(Schottky Barrier)을 만들고 이 장벽의 높이를 조절하는 방법으로 전류를 켜고 끌 수 있게 한 것이다.

▲ 그래핀 트랜지스터 구조 (자료제공:삼성전자)

▲ 삼성전자 종합기술원 소속 박성준 전문연구원(오른쪽)과 정현종 전문연구원(왼쪽)이
이번에 발표된 그래핀 소자가 적용된 웨이퍼와 그래핀 구조 모형을 들어보이고 있다.

삼성전자는 장벽(Barrier)를 직접 조절한다는 의미에서 새로운 소자를 '배리스터'(Barristor)로 명명했으며, 디지털 신호인 '0' 또는 '1' 을 상호 변환하는 가장 기본적인 회로인 인버터 등을 제작하여 기본 연산(덧셈)을 구현했다.

이번 논문을 통해 삼성전자는 그래핀 소자 연구의 최대 난제를 해결함으로써 기존 실리콘의 한계를 극복하고 미래 트랜지스터 개발 가능성을 한단계 높이는 등 추후 연구에 새로운 방향을 제시했고 관련 분야를 선도할 수 있는 기반을 구축한 것으로 평가되고 있다.

현재 삼성전자는 기술원은 그래핀 트랜지스터의 동작방식과 구조와 관련한 핵심 특허 9건을 확보하고 있다.

이진성 기자 mount@noteforum.co.kr

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