국민대학교 대학원 전자공학과 16학번 박사과정 윤진수(반도체 소자 및 집적회로 연구실: 지도교수 김동명, 김대환, 최성진) 학생이 탄소나노튜브(carbon nanotube) 전자 소자에서 가장 문제시 되던 접촉 저항(contact resistance)을 결정하는 주요 인자를 발견하고 이를 감소시키고 개선하기 위한 방안을 개발하였다. 

탄소나노튜브는 탄소원자의 육각형 배열로 이루어진 전기적, 기계적, 열적, 화학적 성질이 매우 우수한 신소재로서 차세대 첨단 소재로 주목받고 있다. 특히 반도체성 탄소나노튜브들을 그물 구조로 형성하고 이를 전자 소자의 채널로 이용하여 매우 뛰어난 전자 소자의 특성을 보이는 연구가 활발히 보고되고 있다. 하지만 탄소나노튜브 전자 소자의 소스(source)와 드레인(drain) 양쪽의 전극과 탄소나노튜브가 접촉하는 부분에서 매우 큰 접촉 저항이 발생하고 소스와 드레인 양쪽의 접촉 저항의 크기가 불 균일하고 예측이 불가능한 단점이 있어 전자 소자의 특성을 열화 시킨다. 

윤진수 박사과정 학생은 탄소나노튜브 전자 소자의 소스와 드레인 전극에서 발생하는 접촉 저항을 추출하는 획기적인 방법을 개발하고, 이를 99%의 반도체성 탄소나노튜브로 제작된 전자 소자에 적용하여 이를 검증하였다. 별도의 테스트 패턴이나 기타 복잡한 장비가 필요없이 간단한 전기적인 특성의 측정만으로 소스와 드레인 전극 양쪽에서 발생하는 접촉 저항의 독립적인 추출이 가능함을 보고하고, 이를 통해 접촉 저항을 결정하는 주요 인자인 탄소나노튜브 밀도와 길이와의 연관 관계를 밝혀내었다. 또한 몬테카를로(Monte-Carlo) 방식의 시뮬레이터를 개발하여 실험결과와 비교하고, 이를 통해 탄소나노튜브 전자 소자에서 가장 문제가 되는 접촉 저항을 줄이는 방안 또한 제시하였다. 

탄소나노튜브는 차세대 반도체 물질로 높은 기계적강도로 인해 유연기판에서 잘 동작하며 투명하기 때문에 차세대 투명/유연 전자 소자로 사용이 가능하다. 또한, 높은 면적 대 부피비(surface-to-volume ratio)로 인해서 차세대 초소형 센서에도 사용이 가능하다. 하지만 탄소나노튜브 전자 소자의 특이한 구조로 인해 동작 원리가 복잡하고, 이를 수학적으로 기술할 수 있는 모델이 기존에 부족하여 현상에 대한 해석이 어려웠지만, 이를 극복하여 탄소나노튜브 전자소자의 접촉 저항을 결정하는 주요 인자를 발견하고 이를 개선하기 위한 방안을 개발하여, 향후 탄소나노튜브가 사용될 수 있는 모든 응용 분야 연구에 필수적인 기반을 마련하였다는 데에 큰 의의가 있다. 

연구 결과는 Nature 자매지인 Scientific Reports에 7월에 게재되었으며 (논문명: Determination of individual contact interfaces in carbon nanotube network-based transistors, 교신저자: 최성진 교수), 이번 연구 성과는 한국연구재단의 선도연구센터지원사업(ERC)와 중견연구사업의 지원으로 수행되었다. 

탄소나노튜브 전자 소자 도식도, 원자간력현미경(AFM) 사진, 개발된 몬테카를로 시뮬레이션

 

소스와 드레인 전극에서 추출된 접촉저항, 접촉저항간 불균일성, 시뮬레이션 결과