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“기존에 없는 n형과 p형 동시에 존재하는 그래핀 반도체 개발 가능”

공기 중에 장기간(6개월 이상) 노출해도 특성이 전혀 변하지 않는 n형 그래핀 반도체 소자가 국내 연구진에 의해 개발됨에 따라, 향후 신개념 그래핀 반도체 소자(n형과 p형 반도체 소자 동시 존재) 개발에 가능성을 열었다.

성균관대 이효영 교수(48세)가 주도하고, 김태성 교수가 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적 연구)의 지원으로 수행됐고, 연구결과는 재료분야의 권위 있는 학술지인 ‘Advanced Materials’지 8월 7일자 온라인으로 게재됐다. (논문명: Highly Air-Stable Phosphorous-Doped n-Type Graphene Field-Effect Transistors)

흑연의 표면층을 한 겹만 떼어낸 탄소나노물질인 그래핀(Graphene)은 높은 전도성과 전하이동도 및 강한 결합력 등을 갖고 있어 향후 응용 가능성이 많아 ‘꿈의 신소재’로 불린다. 특히 반도체 소자 분야에서는 기존의 실리콘 반도체의 한계(부러지기 쉬운)를 극복할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

그래핀 반도체는 일반적으로 공기 중에서 p형의 특성을 지닌다. 또한 n형이라도 공기 중에서 쉽게 p형으로 변형되는 한계가 있다. 따라서 n형과 p형이 동시에 존재하는 상호 보완적인 그래핀 반도체 소자를 개발하기 위해서는 n형의 특성이 극대화되면서도 그대로 유지되는 것이 무엇보다 중요하다.

최근 질소 원자를 그래핀에 넣어 n형 반도체의 특성을 나타내는 소자를 개발했지만, 이것도 역시 시간이 지남에 따라 공기 중의 산소와 수분의 영향으로 n형의 특성을 잃고, p형 반도체와 같은 특성을 지니게 되는 단점이 있었다.

이효영 교수 연구팀은 전자가 매우 풍부한 인(?, P)을 그래핀에 도핑(첨가)해 n형 반도체 특성을 극대화함으로써, 그래핀의 장점인 높은 전하이동도를 그대로 유지하면서도 실리콘에 비해 간단하면서 경제적인 공정으로 n형 그래핀 반도체 소자를 개발했다.

또한 연구팀이 개발한 n형 그래핀 반도체 소자는 기존의 연구결과와 같은 진공상태가 아닌 공기 중에 장기간 그대로 노출해도 그 특성을 유지해 실용화 가능성을 높였다.

이효영 교수는 “우리나라가 세계 반도체 시장에서 지속적으로 우위를 선점하기 위해서는 보다 안정적이며 성능도 뛰어난, 특히 장기간 공기 중에 노출돼도 안정한 n형 그래핀 반도체 소자 개발이 필요하다. 이번 연구는 그래핀에 인을 도핑해 n형 반도체 소자의 특성을 극대화하는데 성공함으로써, p형과 n형이 동시에 존재하는 상호보완형 그래핀 소자 개발에 기여할 것으로 기대를 모으고 있다.

다양한 전자 애플리케이션을 제공하는 세계적인 반도체 회사이며, 세계 최고의 MEMS 제조사 ST마이크로일렉트로닉스(STMicroelectronics, 이하 ST)가 최신 동작 인식 애플리케이션용 자이로스코프 L3GD20H 를 출시했다. 이 제품은 최저 전력사용율과 최고의 성능을 갖추고 있으면서도 사이즈는 업계 최소형을 자랑한다. 

ST의 L3GD20H는3x3mm 크기에 1mm 높이로, 업계 제품 중 가장 작다. 크기는 기존의 절반 정도임에도, 해상도, 정확도, 안정성, 응답시간 모두 향상됐다. 따라서 휴대폰, 태블릿, 게임 콘솔, 디지털 카메라 및 산업 툴 등의 스마트 소비기기에서 동작인식 메커니즘 자체를 더 작게 만들 수 있다. ST의 세계적인 MEMS 제조 과정을 통해 생산량 및 품질에 있어서도 업계 최고 수준을 제공한다. 

몸에 걸치는 전자 제품 같은 다소 실험적인 프로젝트의 실용화를 앞당기는 것도 이러한 초소형 자이로스코프의 덕분이다. 그 예로써, 올해 초 ST가iBMR[2] 기능을 시연하기 위해 선보였던 스마트 수트 시제품을 들 수 있다. 이 기능은 증강 현실, 스포츠 훈련 보조기구나 의학 치료 등의 다양한 애플리케이션을 더욱 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 

ST의 모션 MEMS부문 로베르토 드 누치오(Roberto De Nuccio) 사업개발 부장운 “L3GD20H와 같이 사이즈가 작고 저전력 소모의 센서는 의류나 스포츠 기구 뿐만 아니라 점점 더 작고 얇아지는 스마트 기기 탑재가 가능하다. 이를 통해, 더욱 새롭고 재미있는 제품과 서비스를 개발하는 새로운 기회도 열게 되는 것이다. 특히, 스마트폰, 태블릿, 보철, 의료기구, 상품추적 및 전력 툴 등에서 더 큰 혜택을 보게 될 것이다.”고 말했다.

다양한 전자 애플리케이션을 제공하는 세계적인 반도체 회사이며, 소비자 및 휴대용 애플리케이션을 위한 MEMS 기술의 리더 ST마이크로일렉트로닉스(STMicroelectronics, 이하 ST)1) 가 맞춤형 동작 인식 기능 갖춘 초소형 6축 센서 디바이스 모듈 LSM330을 출시했다.

이 최신 iNEMO? 관성 모듈은 공간 제약 및 전력 소모가 큰 휴대 기기 상에서 현실감 넘치는 동작 인식 기능을 제공하여 사용자들의 다채로운 경험을 이끌어 낸다. 특히, 의료산업, 피트니스 및 스포츠 등의 분야에서 건강 진단을 위한 ‘몸에 걸칠 수 있는’ 센서 애플리케이션 개발에 박차를 가할 수 있을 것으로 기대된다.

LSM330 모듈은 3축 디지털 자이로스코프와 두 개의 내장형 FSM2) 을 탑재한 3축 디지털 가속도계를 내장하고 있다. FSM은 맞춤형으로 동작을 인식하게 하는 프로그래머블 디바이스다. 즉, 특정 몸짓이나 움직임을 인식하여 관련 애플리케이션이나 기능이 작동하도록 한다. 예를 들어, 어떤 몸짓을 취하며 휴대폰을 움직이면, 가까운 물체의 증강 현실을 볼 수 있는 기능이 작동하는 것이다. 이러한 MEMS센서의 프로세싱 기능은 배터리 소모가 큰 휴대 기기의 전력 소모를 절감하고 동작 인식 기반 디지털 기기 설계를 더욱 자유롭고 유연하게 발전시킬 것으로 기대를 모으고 있다.

이 제품은 최대 16g의 가속도와 피치(pitch), 롤(roll) 및 요(yaw)축3) 에 따라 최대 2000dps의 각속도를 탐지한다. 제품 한 개에 고해상도의 선형 및 각형 동작 센서를 통합하여 시스템을 더욱 견고하게 만드는 한편, 최첨단 모듈 설계 기술로 열 변화와 기계적인 안정성을 보장한다. 이 LSM330 멀티 센서 모듈의 타겟 시장은 광범위해서, 몸에 걸칠 수 있는 센서 애플리케이션, 스마트폰 및 태블릿의 동작 인지형 UI, 실내외 내비게이션 및 증강현실을 포함한 다양한 위치 기반 서비스 상에서 모션 감지 및 맵 매칭 등에 다양하게 적용 될 수 있다.

배터리를 사용하는 휴대 기기의 전력 사용상의 제약을 해결하기 위해 절전 및 수면 모드, 그리고 내장형 FIFO(선입력 선출력) 메모리 블록을 장착했으며, 2.4V와 2.6V 사이의 어떤 공급 전압에서도 작동이 가능하다.