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DGIST, 그래핀기반 차세대 반도체 핵심기술 개발
초고주파수 신호 전송 속도 향상
최경수 기자 / 입력 : 2019년 05월 02일(목) 18:05

↑↑ DGIST 정보통신융합전공 양재훈 박사과정 학생(왼쪽)과 장재은 교수(오른쪽)
ⓒ 대구광역일보
대구경북과학기술원(DGIST) 정보통신융합전공 장재은 교수팀은 단층 그래핀의 초고주파 전송 특성을 연구해 그래핀 내의 전하 농도 증가를 유도한 고성능의 초고주파수용 전송 선로를 개발했다고 2일 밝혔다.
이번 연구결과는 매우 향상된 초고주파 전송 특성을 보여줌으로써 기존 고속 반도체 공정에 사용되는 금속을 대체할 만한 결과를 보였다.
이에 앞으로 그래핀의 전송 선로로서의 활용 가능성이 기대된다.
최근 반도체 소자의 고집적화와 고속화로 인해 소자들 간의 신호가 전송되는 금속 배선의 저항이 기하급수적으로 증가하며 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 있다.
또한 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 그래핀내의 전하 농도를 조절하여 그래핀의 초고주파수 전송 특성을 향상시키는 연구를 진행했다.
아울러 그래핀과 비정질 탄소와의 결합을 통해 그래핀의 전하 농도를 증가시켰고 이를 통해 그래핀의 전기적 특성의 향상을 유도했다.
증가된 그래핀의 초고주파 전송 특성은 약 –8㏈ 수준으로 이는 수백 나노 크기의 금속 기반의 나노선들과 비견될 수 있는 수준의 수치에 도달했다.
또 그래핀의 내부 결함들은 그래핀의 초고주파 전송 특성을 저하시킨다는 사실을 증명했으며 이를 토대로 내부 결함을 최소화한 안정적인 도핑 기법을 개발했다.
개발된 도핑 기법은 그래핀의 전하 농도를 약 2x 1013㎝-2 까지 증가시켰으며 안정적인 열적·전기적 특성을 보였다.
특히 연구팀이 개발한 초고주파용 그래핀 전송 선로는 높은 신호 전송 효율 및 안정적인 동작 특성을 보여 기존의 반도체 산업의 금속 배선 공정에 적용할 수 있어 차세대 집적 회로에 응용이 가능하다.
DGIST 정보통신융합전공 장재은 교수는 “반도체 연구 분야에서 전송 선로는 매우 중요한 기술이다”며 “우리는 차세대 전송 선로로 활용될 수 있는 그래핀의 고주파 전송 특성을 향상시킬 수 있는 핵심기반기술을 개발했다”고 말했다.
한편 이번 연구 결과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 기초연구사업의 지원으로 수행됐으며 재료 분야의 세계적 국제학술지인 ‘Advanced Functional Materials’의 표지논문으로 선정 후 개시됐다.

최경수 기자  
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