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빛으로 작동하는 나노선 트랜지스터 최초 개발
2017년 9월 1일 (금) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2017년 9월호 - 전체 보기 )

빛으로 작동하는 나노선 트랜지스터 최초 개발
환원된 산화그래핀 이용… 에너지 저장밀도 2~3배 UP
과학기술정보통신부(장관 유영민, 이하 과기정통부)는 국내 연구진(박홍규 교수 연구팀)이 오직 빛으로만 전기신호를 제어하고 효율적으로 전류를 증폭할 수 있는 새로운 나노선 트랜지스터를 최초로 개발했다고 밝혔다. 이번 연구로 기존의 CCD를 뛰어넘는 민감한 고해상도 카메라 개발과 빠른 계산이 가능한 신개념의 컴퓨터 개발이 가능할 것으로 기대된다. 자료 : 과학기술정보통신부

실리콘 나노선에 다공성 실리콘 삽입
빛만으로 전기신호 효과적 제어
트랜지스터는 현대 전자기기를 구성하는 가장 기본 부품 중 하나로, 전기신호의 증폭 작용과 스위치 역할을 한다. 기존 트랜지스터의 동작 효율을 높이기 위해 나노 크기로 제작하거나 빛을 쪼여주는 등의 연구가 진행 중이지만, 복잡한 공정과 낮은 수율로 인해 상용화가 어려운 상황이다. 또한, 현재까지의 트랜지스터 연구는 전기신호로 전기적 특성을 어떻게 제어할 수 있는지에 초점이 맞춰져 있었다. 빛은 그 효과를 증대시키기 위한 보조적 수단일 뿐이었다.
반면, 이번 연구에서는 전기적 특성을 제어하는 방법으로 오직 빛만을 이용함으로써 전기신호를 더욱 쉽고 효율적으로 제어할 수 있었다. 특히 전기신호가 천만배까지 증폭됨으로써 논리회로 및 광 검출기를 손쉽게개발할 수 있었다. 높은 비용·기술적 노력 없이도 고성능의 전자 소자를 제작할 수 있음은 본 연구만의 독특한 결과이다.
박홍규 교수 연구팀은 수백 나노미터 길이의 다공성 실리콘이 포함된 결정질 실리콘 나노선을 합성했다. 다공성 실리콘은 내부에 수 나노미터의 수많은 작은 구멍들이 있어 주입된 전자들을 강하게 구속시킨다.
즉, 합성된 나노선의 양 끝단에 전압을 걸어주어도 다공성 실리콘 때문에 전류가 거의 흐르지 않는다.
다공성 실리콘은 전자소자로서 장점이 크지 않고 이로 인해 이제껏 거의 사용되지 않았다. 이번 연구에서는 다공성 실리콘의 이러한 나쁜 전기적 특성을 역으로 이용해 새로운 트랜지스터를 개발했다. 다공성 실리콘에 레이저를 조사하면 구속되어 있던 수많은 전자들이 에너지를 받아 탈출하고, 이는 전기 전도도를 엄청나게 높여 큰 전류가 흐르게 된다. 즉, 빛에 의해 전기적 특성을 효과적으로 제어할 수 있게 되는 것이다. 게다가 빛이 없을 때 전류가 거의 흐르지 않았던 것과 비교하면 빛을 쪼여주는 것만으로 천만배 이상의 전류 증폭을 관찰할 수 있었다.

[그림1] 
빛으로 구동하는 실리콘 나노선 트랜지스터 다공성 실리콘에 빛을 쪼여주어 나노선의 전기적 특성이 변화함을 보여주는 모식도.

[그림2] 빛으로 구동하는 실리콘 나노선 트랜지스터. 
다공성 실리콘(Porous Si(PSi))이 단결정 실리콘(Crystal Si(CSi)) 나노선에 부분적으로 삽입되어 있음을 보여주는 전자현미경 사진(왼쪽). 다공성 실리콘에 레이저를 조사했을 때 레이저 세기가 커짐에 따라 전류가 커지고 있다(오른쪽). 최대 천만배의 전류증가가 측정됐다.

[그림3] 빛으로 구동하는 NAND 논리 회로. 
두 개의 다공성 실리콘에 각각의 레이저를 조사하여 구현된 NAND 논리회로(왼쪽). 입력 값으로서 레이저가 on 상태일 때가 ‘1’, off 상태일 때가 ‘0’이다. 입력 값이‘ 00’,‘ 01’,‘ 10’일 때 출력 값은‘ 1’(5V)이 나오고, 입력 값이‘ 11’일 때 출력 값은‘ 0’(3.75V)이 되어 NAND 논리회로가 형성된다(오른쪽).

또한, 하나의 실리콘 나노선 안에 두 개의 다공성 실리콘을 갖는 트랜지스터를 제작하여 새로운 논리회로를 구현했다. 각각의 다공성 실리콘에 레이저 빛을 조사했는지 안했는지를 입력 값으로 하고, AND/OR 그리고 NAND의 논리연산을 수행하여 원하는 출력 값을 얻을 수 있었다. 이러한 논리회로는 모든 컴퓨터의 기초가 되는 소자이므로 빛으로 빠르게 계산가능한 컴퓨터의 개발이 가능하다. 이와 함께, 나노선의 지름을 25나노미터 정도로 더욱 얇게 하여 빛에 매우 민감한 트랜지스터를 개발했다.
이는 약한 빛을 검출할 수 있는 민감한 광 검출기로 이용할 수 있다. 본 연구에서는 다수의 다공성 실리콘을 나노선 안에 촘촘히 삽입하여 1마이크로미터 미만의 높은 집적도를 갖는 새로운 광 검출기를 구현했다.
 
박홍규 교수(사진)는 “이 연구는 다공성 실리콘을 원하는 곳에 배치시키고 빛을 필요한 위치에 쪼여주기만 하면 나노선 하나만으로 모든 전자기기들을 간단히 제작할 수 있음을 보여준 것”이라고 설명하며, “이번 연구는 매우 민감한 고해상도 카메라, 빛으로 빠르게 계산이 가능한 신개념의 컴퓨터 개발 등에 적용이 가능할 것으로 기대된다”고 연구 의의를 밝혔다.
이 연구는 과학기술정보통신부 기초연구지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구내용은 세계적인 학술지 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)에 게재됐다. 논문명과 저자정보는 다음과 같다.
*(논문명) Photon-triggered nanowire transistors *(저자 정보) 박홍규 교수(교신저자, 고려대), 김정길 박사(제1저자, 고려대)

용어설명
1. 네이쳐 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology) : 과학, 기술 분야 최상위 학술지인 Nature지의 자매지 중 하나로 2006년도부터 출판되었다. 학술지표 평가기관인 Thomson JCR 기준 전 세계 나노 과학 및 나노 기술 분야 학술지 중 1위에 해당하는 영향지수(impact factor 38.986)를 가지고 있다.
2. 트랜지스터 : 전자회로의 구성요소이며 전류나 전압흐름을 조절하여 증폭, 스위치 역할을 하는 반도체 소자.
3. 다공성 실리콘 : 내부에 수 나노미터의 수많은 작은 구멍을 가지고 있는 실리콘.
4. 나노선 : 단면의 지름이 수 나노미터에서 수백 나노미터이고, 길이는 수십 마이크로미터인 1차원 형태의 나노 구조체. 레이저나 트랜지스터, 메모리, 화학감지용 센서 등 다양한 분야에 쓰인다.
5. 논리 회로 : 1 또는 0의 두 값 신호로 주어진 입력에 대응한 두 값 신호의 출력을 얻는 회로를 말하며, 컴퓨터의 연산장치, 제어장치 등의 기본이 되는 회로이다.
6. 광 검출기 : 광 신호를 검출하여 전기신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 소자.
 

<Energy News>

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