'구리가 반도체 기능까지'…부산대·KAIST·미시시피대 공동 연구 결과

'어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)' 온라인판에 발표
금속전자공학 새로운 장 서막 예고

연구 관련 이미지. (부산대 제공)

(부산=뉴스1) 윤일지 기자 = 부산대학교는 부산대와 KAIST, 미국 미시시피주립대학 공동연구진이 양공(hole)이 주 수송자인 2차원 단결정 구리를 개발하고 그 수송 메커니즘을 밝히는 데 성공했다고 22일 밝혔다.

연구팀은 아주 얇고 고른 구리 박막에서 전자가 아닌 양공이 주로 전류를 운반한다는 사실을 밝혀내 도체인 구리가 반도체 기능까지 할 수 있는 가능성을 제시했다.

보통 도체인 금속에서는 전자가 전류를 운반하고, 도체와 부도체의 중간 영역에 있는 반도체에서는 전자와 양공이 전류를 운반한다.

전류를 다루는 전자공학 분야는 주로 반도체를 이용해 발전해 왔는데, 계속해서 전류가 흘러 조절이 어려운 금속과 달리 반도체는 어떤 특별한 조건에서만 전기가 통하는 물질이므로 필요에 따라 전류를 조절하기 쉽기 때문이다.

그런데, 이번에 연구팀이 금속인 구리에서 전류 운반에 전자뿐 아니라 양공이 중요한 역할을 할 수 있음을 확인했다. 이는 반도체 없이 금속만으로도 전자공학을 구현할 수 있는 가능성을 제시한 것이다.

만약 구리 자체에서 양공이 만들어지면 반도체 없이 금속만으로 전자공학을 시도해 볼 수 있다.

왼쪽부터 정세영·옥종목·양희준·김용관·김성곤 교수. (부산대 제공)

연구팀은 ASE(Atomic Sputtering Epitaxy) 법에 의한 2차원 구리 박막의 성장을 통해 결정립계가 전혀 없는 단결정 박막을 구현했고, 여기서 Hall 측정과 추가적인 각도분해광전자방출분광법(ARPES) 관측을 통해 전자가 아닌 양공이 지배적 수송자로 나타남을 입증했다. 이 양공의 농도는 결정립계의 밀도에 의존함도 밝혀냈다.

구리와 같은 금속 내에서 결정립계에서의 수송자 산란으로 인해 수송현상의 본질적인 특성이 가려져 있었고, 결정립계가 전혀 없는 2차원 박막을 성장하는 데 성공함으로써 2차원 구리의 본질적 수송 특성은 양공에 의한다는 것을 입증했다고 연구팀은 설명했다.

2차원 구리에서 양공이 지배적인 수송자가 되는 기원을 밝힌 이번 연구는 'Hole-Carrier-Dominant Transport in 2D Single-Crystal Copper'(2차원 단결정 구리에서 양공의 지배적 수송현상)라는 제목으로 세계적인 재료과학 전문지인 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)' 온라인판 7월 18일 자에 발표됐다.

정세영 부산대 광메카트로닉스공학과 교수는 "이번 획기적인 발견은 결정립계 엔지니어링을 통해 금속의 다수 캐리어 극성을 조작할 수 있는 가능성을 제시하며 앞으로 전자공학과는 또 다른 '금속전자공학(metaltronics)'이라고 하는 새로운 장을 여는 서막을 예고한다"고 밝혔다.

yoonphoto@news1.kr