"그래핀-금속 접촉저항 낮춰 전류 손실 막는다"

박진홍 성균관대학교 전자전기공학부 교수

[이데일리 오희나 기자] 그래핀-금속 접촉저항을 최소화해 전류 손실을 획기적으로 줄일 수 있는 기술이 세계 최초로 개발됐다.

한국연구재단은 미래창조과학부 중견연구자지원사업의 지원을 받은 박진홍 교수 연구팀(성균관대)이 n-형 도핑 기술과 그래핀 모서리의 디자인 변형을 통해 그래핀-금속 전극의 접촉저항을 기존 팔라듐(palladium) 접촉의 ~86옴-마이크론(Ω-μm)과 비교해 약 4배 줄여 세계 최저 수준(~23옴-마이크론(Ω-μm))으로 낮추는 기술을 개발했다고 15일 밝혔다.

도핑(doping)이란 전자나 정공(양전하를 가진 전자와 같은 거동을 하는 가상 입자)의 농도를 조절해 반도체의 특성을 바꾸는 과정으로 정공이 많으면 p형, 전자가 많으면 n형으로 분류한다.

그 동안 그래핀-금속 접촉저항 기술은 금속 전극의 전자상태밀도(Density of State)는 높은 반면 그래핀의 전자상태밀도가 상대적으로 낮아 높은 접촉저항을 유발하고, 그래핀 기반 응용소자의 성능을 저하시킨다는 문제가 있었다.

또한 공정 과정 시 그래핀 모서리와 금속 전극을 정확하게 접촉시키기 어렵다는 한계가 있었다.

박진홍 교수 연구팀은 전자를 공급하는 트리아진(Triazine) 분자가 포함된 고분자절연물질(PVP/PMF)을 그래핀 아래층에 두고 가열 공정함으로써 기존의 그래핀을 전자상태밀도가 높은 n-형으로 도핑시키는 방법을 발견했다.

또한 그래핀 모서리의 길이를 길게 디자인함으로써 금속과 접합된 그래핀의 전자상태 밀도를 이전보다 더 높여 접촉저항을 최소화했다. 그 결과 기존 그래핀 소자 대비, 동일 동작전압 인가 시 약 4배 높은 동작전류를 확보할 수 있게 됐다.

박진홍 교수는 “그래핀을 기반으로 하는 차세대 전자소자 또는 광전소자의 성능을 극대화함으로써 차세대 플렉서블 스마트 기기 등 다양한 응용분야에 적극 활용될 수 있을 것”이라며 연구의 의의를 설명했다.

이번 연구결과는 나노소자 및 재료공학 분야 세계적 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 3일자 표지 논문으로 게재됐다.

그래핀의 n-형 도핑 및 금속 전극 하부 그래핀의 모서리 길이 디자인을 이용한 접촉저항 최소화 및 그래핀-페로브스카이트 광검출기 소자로의 응용 이미지