대구경북과학기술원(DGIST·디지스트)은 정보통신융합전공 장재은 교수팀이 초고주파 영역에서 기존의 금속을 이용한 경우보다 전자의 이동속도가 더욱 향상된 그래핀 기반의 고성능 전송 선로를 개발했다고 2일 밝혔다.
이번 연구결과는 매우 향상된 초고주파 전송 특성을 보여줌으로써 기존 고속 반도체 공정에 사용되는 금속을 대체할 만한 결과를 보였으며 향후 기존보다 처리속도가 매우 향상된 차세대 고속 반도체 및 통신 소자에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
최근 반도체 소자의 고집적화와 고속화로 인해 소자들 간의 신호가 전송되는 금속 배선의 저항이 기하급수적으로 증가해 허용할 수 있는 전류 밀도가 한계에 다다르는 문제가 발생한다.
이를 해결하기 위해 기존의 금속 물질의 대체제로 여겨지는 그래핀, 탄소나노튜브와 같은 탄소 기반의 나노 구조체들이 차세대 신소재로 각광받고 있다.
그래핀은 탄소 원자가 육각 배열로 이루어져 0.3㎚의 매우 얇은 두께를 갖고 있으며 구리보다 100배 이상의 전기전도도, 실리콘보다 100 이상의 빠른 전자 이동도를 갖고 있어 기존의 금속, 반도체 물질을 대체할 수 있는 전자 재료로 거론된다.
하지만 순수한 그래핀은 약 1012㎝-2정도의 매우 낮은 전하 농도를 지니고 있으며 수 나노미터 두께의 매우 얇은 구조 특성을 갖고 있어 그래핀의 기본 저항이 너무 높다는 문제가 있다.
장 교수팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 그래핀 내의 전하 농도를 조절해 그래핀의 초고주파수 전송 특성을 향상시키는 연구를 진행했다. 또 그래핀 내부 결함들은 그래핀의 초고주파 전송 특성을 저하시킨다는 사실을 증명해 이를 토대로 내부 결함을 최소화한 안정적인 도핑 기법을 개발했다.
연구팀이 개발한 초고주파용 그래핀 전송 선로는 높은 신호 전송 효율 및 안정적인 동작 특성을 보이고 기존의 반도체 산업의 금속 배선 공정에 적용할 수 있어 차세대 집적 회로에 응용이 가능하다.
장재은 교수는 “차세대 전송 선로로 활용될 수 있는 그래핀의 고주파 전송 특성을 향상시킬 수 있는 핵심기반기술을 개발했다”며 “나노공학, 전자공학, 물리학 분야 전문가들의 융합 연구 결과로 고주파용 회로에서 적극 활용할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
한편 이번 연구 결과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 기초연구사업의 지원으로 수행됐으며 재료 분야의 세계적 국제학술지인 ‘Advanced Functional Materials’의 표지논문으로 선정, 개시됐다.
대구=최일영 기자 mc102@kmib.co.kr