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건축물처럼 쌓아 만든 고효율 '수직형 다이오드' 개발

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건축물처럼 쌓아 만든 고효율 '수직형 다이오드' 개발

2019.01.16 12:15
정수용 한국표준과학연구원 책임연구원(오른쪽 상단)팀이 전자수송 특성 실험을 하고 있다. -사진 제공 한국표준과학연구원
정수용 한국표준과학연구원 책임연구원(오른쪽 상단)팀이 전자수송 특성 실험을 하고 있다. -사진 제공 한국표준과학연구원

에너지 손실은 최소화하면서 매우 높은 온도 등 극한환경에서도 작동할 수 있는 새로운 구조의 ‘수직형 다이오드’를 국내 연구팀이 최초로 개발했다. 초박형 디스플레이나 태양광 패널 등 거친 환경에서 반도체를 이용하는 장비의 효율을 크게 높일 것으로 기대된다.


정수용 한국표준과학연구원 양자기술연구소 책임연구원팀은 차세대 반도체 재료인 이셀레늄화텅스텐(WSe2)을 이용해 마치 건축물처럼 얇은 층을 수직으로 쌓아 올린 새로운 2차원 다이오드를 만들어 학술지 네이처 커뮤니케이션스 지난해 12월 18일자에 발표했다. 


2차원 다이오드는 두께가 원자 하나 두께 수준으로 얇아져도 반도체의 성질을 갖는 ‘층상 반도체’를 쌓아 만든다. 지금까지 층상반도체를 만들 때에는 기존 반도체와 비슷하게 p형과 n형 반도체를 결합한 형태로 시도했는데, 두 가지 반도체가 결합해 있다 보니 환경 변화에 노출될 경우 접합이 불완전해 불순물이 포함되거나, 접합면에서 전위가 크게 변하며 전력이 손실되는 등의 문제가 있었다.


정 책임연구원팀은 한 가지 소재를 쌓아 안정적인 고성능 다이오드를 만들 아이디어를 냈다. 연구팀은 WSe2 한 가지 물질을 이용해 다양한 성질의 층상 반도체를 만든 뒤 이 반도체를 한 층부터 수십 층까지 한 장씩 바꿔 쌓아가며 성질을 비교했다. 그 결과 수직형 다이오드가 맨 위와 아래 끝 각각에서 p형과 n 형 반도체의 특성을 내게 하는 데 성공했다. WSe2 소재 중간 부분은 p형도 n 형도 아닌 절연층이 됐는데, 덕분에 자연스럽게 p형-절연체-n형 반도체가 연결된 다이오드 구조가 완성됐다. 

 

연구팀이 개발한 수직형 다이오드의 개념도(a,b). c와 d는 실제 전자현미경 사진이다. -사진 제공 네이처 커뮤니케이션스
연구팀이 개발한 수직형 다이오드의 개념도(a,b). c와 d는 실제 전자현미경 사진이다. -사진 제공 네이처 커뮤니케이션스



실험 결과, 완성한 다이오드는 면적 당 전하를 수송하는 능력인 ‘전류밀도’를 세계 최고 수준으로 높아졌다. 전자 등 입자가 장벽을 통과하는 양자역학 원리인 ‘양자 터널링 효과’를 통해 전하를 수송해, 구동 속도도 높아졌다. WSe2의 두께만 변화시켜서 전하 수송 등의 현상을 조절할 수 있어 다양하게 활용할 수 있게 됐다. 


정 책임연구원은 “이번에 개발한 수직형 다이오드는 소자 구성이 간단하며 다른 2차원 물질에도 적용할 수 있다”며 “극고온이나 극저온, 초고압 등 환경에서 견딜 수 있는 초소형 소자와, 태양전지, 광원 검출기 등에 활용할 수 있을 것”이라고 말했다.
 

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