그래핀은 탄소 원자가 육각형에 결합한 허니컴 구조를 갖추고 있으며 철보다 수백 배 강도를 가지면서 경량이면서 부드럽고 열전도성이 높다는 특성이 있다. 이런 그래핀을 이용해 세계에서 처음으로 기능적 반도체를 만드는데 미국과 중국 연구팀이 성공했다.
현대 사회에서 필수 불가결한 거의 모든 전자기기에는 반도체가 탑재되어 있으며 해당 소재에는 실리콘이 이용되고 있다. 하지만 연산 속도 고속화와 전자기기 소형화가 요구되는 가운데 실리콘 재질 반도체는 물리적 기능 한계에 이르고 있다고 알려져 있으며 연구자는 실리콘을 대신할 반도체 소재를 추구해왔다.
이런 실리콘을 대체하는 반도체 소재 후보 중 하나는 탄소원자 시트인 그래핀을 들 수 있다. 하지만 반도체에는 전자가 결정 내에 머무르는 가전자대와 외부로 이동 가능하게 되는 전도체 에너지 레벨 차이인 밴드갭이 있어 이 전자 특성에 의해 전류 온오프를 효과적으로 전환할 수 있지만 그래핀에는 밴드갭이 없었다.
지금까지 연구에선 그래핀을 작은 스케일로 반도체처럼 기능시킬 수는 있어도 컴퓨터 칩을 실용화할 수 있는 사이즈까지 스케일업할 수는 없었다고 한다. 조지아공대 월터 드 히어(Walter de Heer) 교수는 20년 전부터 그래핀을 반도체 후보로 연구해왔다. 그가 이끄는 연구팀은 탄소와 실리콘 화합물인 탄화규소 웨이퍼를 가열해 탄소보다 먼저 실리콘을 증발시켜 웨이퍼 위에 그래핀층을 만들어내는데 성공했다. 또 이 그래핀층이 탄화규소에 화학 결합해 반도체 특성을 나타내는 것도 실증했다.
연구팀 측정에서 그래핀 반도체는 전자 이동도가 실리콘 10배에 달하는 것으로 나타났다. 이는 전자가 상당히 낮은 저항으로 이동한다는 걸 의미하며 전자장치에서 더 빠른 컴퓨팅을 실현할 수 있다. 연구팀은 자갈길을 운전하는 것과 고속도로를 운전하는 차이와 같다며 효율이 좋고 열이 많이 나오지 않고 전자가 빠르게 움직일 수 있다고 밝히고 있다.
공동 연구팀인 천친나노시스템국가연구센터 TICNN 측은 그래픽 일렉트로닉스에서 오랜 문제는 그래핀에 적절한 밴드갭이 없고 올바른 비율로 온오프를 전환하는 것이라며 이번 기술은 밴드갭을 달성하고 그래핀 기반 전자 제품 실현을 위한 중요한 단계라고 강조했다.
한 전문가는 그래핀 반도체 제작에 반도체 업계에 익숙한 웨이퍼를 사용한 건 프로세스를 스케일업하는데 있어 이점이 있다고 지적한다. 하지만 여전히 트랜지스터 크기와 품질, 제조 기술 면에서 많은 개선이 필요했던 만큼 이미 실용화된 실리콘에서 그래핀 칩으로 전환하는 데에는 시간이 걸릴 것으로 전망했다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.