열(熱)의 특성 밝힐

원자진동 트랜지스터 구현

 

- 삼성전자 미래기술육성사업 지원… Physical Review Letters 에 논문 게재

- LED 수명 단축 문제 해결, 초고속 정보통신용 소자 개발에 기여 기대

 

    

 

(왼쪽부터) 조영달 교수와 정훈일 박사, 열의 흐름을 제어할 수 있는 원자 진동 트랜지스터.

밝은 부분은 열이 발생되고 조절되는 반도체이며, 어두운 부분은 전계 인가를 위한 전극

 

 

 

□ 지스트(GIST‧광주과학기술원‧총장 문승현) 정보통신공학부 조영달 교수팀이 열(熱)을 발생시키는 원자 진동*의 방향과 세기를 전기적으로 제어할 수 있는 트랜지스터*를 개발했다.

 

  ∘ 이번 성과를 기반으로 열의 세기 등 열의 특성에 대한 연구가 진행될 경우 LED(발광다이오드)* 등 전자소자에서 발생하는 열을 제어함으로써 전자소자의 수명 단축 문제를 해결하고, 지금보다 100배 이상 빠른 초고속 정보통신용 소자를 개발하는 데 기여할 것으로 기대된다.

 

* 원자 진동: 물질의 기본적인 최소입자인 원자가 외부로터 에너지를 얻어 떨리는 현상
* 트랜지스터(transistor): 전류나 전압의 흐름을 증폭하거나 전환하는 소자

 

□ 이번 연구는 삼성전자가 추진하는 미래기술육성사업의 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 물리학 분야 권위지인 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters) 1월 29일자 온라인판에 게재되었다.

 

* 논문명: Electrical Manipulation of Crystal Symmetry for Switching Transverse Acoustic Phonons

 

□ 열은 높은 주파수인 테라헤르츠 대역의 원자 진동에 의해 발생하는데, 일반적으로 트랜지스터나 LED 등 전자소자의 효율을 떨어뜨리고 에너지 소실을 유발하며 그 특성상 조절하기 어려운 것으로 여겨져 왔다.

 

  ∘ 최근 새로운 연구 분야로 주목받는 ‘열 전자공학’은 원자 진동 등 열의 특성을 제어함으로써 폐열을 활용하거나 전자소자의 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 이를 위해서는 원자가 진동하는 방향인 모드(mode), 원자 진동의 전송(transport)과 세기(amplitude) 등의 열 특성에 관한 연구가 필수적이다.

 

  ∘ 특히 열은 원자 진동의 방향(가로 또는 세로)에 따라 전자소자의 효율과 정보통신용 소자의 동작 속도에 영향을 주기 때문에, 원자 진동 방향을 선택적으로 발생시킴으로써 소자별로 어느 방향이 유리한지에 대한 연구가 필요하다.

 

  ∘ 기존 연구는 모드를 선택적으로 발생시키기 위해 각 모드에 부합하는 구조를 만들거나 다른 특성을 갖는 물질을 접합하는 방법 등을 사용하였다. 이는 비용과 시간측면에서 비효율적이며, 구조 선택에 의해 결정되는 모드를 조절할 수 없기 때문에 활용의 측면에서도 제약이 있었다.

 

□ 연구팀은 전기적으로 반도체 구조를 변형하는 방법으로 원자 진동의 방향인 모드를 전환하고 진동의 세기 조절도 가능한 새로운 소자를 개발했다.

 

  ∘ 전기로 반도체의 구조를 정밀하게 변형하는 것은 특정한 원자 진동의 모드를 켜거나 끌 수 있는 스위치 역할을 한다. 연구에 사용된 질화갈륨*의 경우, 일반적으로 표면에 수직으로 가해지는 전계*에 의해 구조의 압축 및 팽창이 발생되고, 이 변형에 따른 세로방향의 원자진동을 갖는 열이 발생한다.

 

*질화갈륨(Gallium Nitride, GaN): 갈륨과 암모니아를 반응시켜 얻어지는 결정으로 청색 발광 다이오드 및 고출력 전자소자에 사용됨.

*전계: 전하를 가진 물체가 존재하는 공간의 각 점에 작용하는 전기적인 힘.

 

  ∘ 연구팀은 기존의 구조들에서 무시되었던 표면에 평행한 전계가 압축과 팽창이 아닌 구조의 비틀림 변형을 일으키고 가로방향의 원자진동을 갖는 열의 모드를 발생시킬 수 있음에 착안하여, 표면에 평행한 전계를 조절할 수 있는 구조를 개발하였다.

 

  ∘ 이를 통해 같은 구조에서 발생되지 않는 것으로 여겨졌던 가로 방향 원자진동 모드의 발생과 세기가 외부적으로 조절될 수 있음을 이론과 실험을 통해 밝혀냈다.

 

□ 조영달 교수는 “이번 연구를 통해 개발된 원자 진동의 전기적 제어법은 다양한 반도체 물질과 구조의 비 파괴적 내부탐사뿐 아니라 열을 활용한 집적회로 및 논리소자의 개발에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.     <끝>

 

 

홍보기금팀