그래핀 소재로 ‘실리콘 반도체’ 한계 넘는다

꿈의 소재로 트랜지스터 구조 개발
삼성, 사이언스 온라인판에 논문

삼성전자 종합기술원은 ‘꿈의 신소재’로 불리는 그래핀을 사용해 기존 실리콘 반도체의 기술적 한계를 극복할 수 있는 소자 기술을 개발했다고 18일 밝혔다. 삼성전자 종합기술원이 개발한 그래핀 기반 미래 트랜지스터 구조는 17일(현지시각) 세계적 학술지 <사이언스> 온라인판에 실렸다.

그래핀은 흑연에서 벗겨낸 한겹의 탄소 원자막이다. 원자들이 6각형 벌집 구조로 결합된 나노 소재로 전자 이동 속도는 실리콘의 140배에 이르고 강도는 강철의 200배다. 필름처럼 휘는 반도체 생산도 가능하다.

반도체 성능은 전자의 이동 속도에 좌우된다. 전자 이동 속도를 높이려면 반도체 속 트랜지스터의 회로 선폭을 줄이거나 새 소재를 사용해야 하는데, 회로 선폭을 줄이는 기술은 한계에 다다른 상태다. 이에 그래핀을 활용할 방안을 찾아왔는데 그래핀이 갖고 있는 금속 성질 탓에 전류를 차단하기 어려운 난제가 있었다.

삼성전자는 새로운 동작 원리를 적용해 이를 해결했다. 그래핀과 실리콘을 접합해 ‘쇼트키 장벽’(Schottky Barrier)이라고 하는 에너지 장벽을 만들고, 이 장벽의 높이를 조절하는 방법으로 전류를 켜고 끌 수 있게 했다. 삼성전자는 기술 이름을 ‘배리어’라고 짓고, 9개의 특허를 출원했다.

그래핀을 활용한 트랜지스터가 완성되면 지금보다 성능이 100배 이상 뛰어난 반도체 생산이 가능해진다. 삼성전자 종합기술원 박성준 전문연구원은 “그래핀 소자에 대한 연구를 마라톤에 비유한다면, 골인 지점은 있는데 코스는 없던 상황에서 코스 방향을 찾았다고 볼 수 있다”며 “실리콘 기술을 확장하는 데 기여하는 것은 물론, 실제로 반도체에 쓰일 수 있도록 기반 기술 연구를 계속해 나가겠다”고 말했다.

김진철 기자 [e-mail]

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