그래핀 표준저항 국산화 성공..세계에서 세 번째

박재성 한국표준과학연구원 전자기표준센터 책임연구원과 채동훈, 김완섭 책임연구원 연구팀은 그래핀을 활용한 표준저항을 개발하는 데 성공했다. 한국표준과학연구원 제공

한국 연구팀이 독일과 미국에 이어 세 번째로 그래핀을 활용한 표준저항을 개발하는 데 성공했다.

박재성 한국표준과학연구원 전자기표준센터 책임연구원과 채동훈, 김완섭 책임연구원 연구팀은 그래핀을 활용하는 방식의 새로운 표준저항소자 개발에 성공했다고 8일 밝혔다. 표준저항소자는 소자의 저항을 정밀하게 측정하는 것을 돕는 표준지표다.

표준저항소자에는 특정한 조건에서 홀 저항이 물질에 무관하게 일정한 값을 가지는 양자홀 효과를 활용한 소자가 쓰인다. 양자홀 효과를 이용하는 소자 중에서도 갈륨비소(GaAs) 반도체가 주로 쓰였다. 갈륨비소 반도체는 절대온도 1.5도(1.5K, 영하 271.65도)의 극저온과 10테슬라(T) 이상의 큰 자기장에서만 동작해 작동시키기 어려웠다. 반면 그래핀 표준저항소자는 상대적으로 고온인 4.2K 온도에서 5T 이하 낮은 자기장으로도 표준저항을 만들 수 있다. 또 실제 산업계에서 쓰이는 교류 전류용 표준저항을 만들 때도 정밀도가 높아지는 장점이 있다.

연구팀은 1600도 이상 고온에서 탄화규소 그래핀을 성장시킨 후 표준저항으로 만드는 소자 공정기술을 개발했다. 이를 통해 12.9킬로옴(kΩ) 그래핀 기반 양자홀 단일 표준저항을 개발했다. 탄화규소 그래핀을 키워 양자홀 단일소자까지 구현한 곳은 독일 연방물리기술원(PTB)과 미국 국립기술표준원(NIST)에 이어 세계 세 번째다.

연구팀은 소자 10개를 직렬로 연결한 129kΩ 소자 제작에도 세계 최초로 성공했다. 박 책임연구원은 “그래핀 표준저항을 직렬로 연결하는 것은 공정 조건을 개발해야해 쉽지 않다”며 “미국에서도 표준저항을 일부 직렬로 연결한 적은 있지만 10개를 연결한 것은 최초”라고 말했다.

표준연은 그래핀 표준저항 개발을 마침으로써 측정시스템과 소자를 갖춘 국가저항표준체계를 완성했다고 밝혔다. 표준연은 2008년 양자홀 저항 정밀측정시스템을 개발했다. 하지만표준저항소자는 PTB의 갈륨비소 반도체를 수급받아 활용해 왔다.

표준연의 소자는 국제 비교를 통해 인정받는 과정을 거치게 된다. 박 책임연구원은 “유럽과 관련 공동연구를 진행하고 있고 이번에 자체 제작한 표준저항소자를 지난주 체코에 보냈다”며 “체코에서 PTB의 소자와 비교하는 과정을 거칠 예정”이라고 말했다.

박 연구원은 “양자전류표준 분야로 응용이 가능하며 미세전류 측정과 발생기술이 쓰이는 기기의 신뢰성을 키우는 데 크게 기여할 것”이라고 말했다.

연구결과는 지난달 4일 국제학술지 ‘응용물리학 레터스’에 실렸다.

김완섭,박재성,채동훈 책임연구원(위쪽부터)이 저항표준 정밀측정시스템을 선보이고 있다. 한국표준과학연구원 제공

[조승한 기자 shinjsh@donga.com]