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페로브스카이트 나노선 차세대 전자소자 활용 가능성 첫 확인

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페로브스카이트 나노선 차세대 전자소자 활용 가능성 첫 확인

2019.02.21 15:37
KAIST 전기및전자공학부 김용훈 교수 연구팀. 사진 왼쪽부터 김용훈 교수. 이주호 박사과정, 무하메드 칸 박사후연구원,  KAIST 제공
KAIST 전기및전자공학부 김용훈 교수 연구팀. 사진 왼쪽부터 김용훈 교수. 이주호 박사과정, 무하메드 칸 박사후연구원, KAIST 제공

국내 연구진이 차세대 태양전지 소재로 주목받는 페로브스카이트 분자 한 가닥으로 만든 나노선을 이용해 절전형 소자를 만드는 기술을 개발했다. 페로브스카이트가 태양전지와 발광다이오드(LED)에 이어 전기를 적게 쓰고 이진법을 극복한 다진법(多進法)이 가능한 차세대 전자 소자 구현에도 유망함을 증명한 것이어서 주목을 받는다.


김용훈 KAIST 전기및전자공학부  교수 연구팀이 페로브스카이트 나노선을 이용해 새로운 비선형 소자를 만드는 방법을 개발했다고 21일 밝혔다. 

 

유무기 하이브리드 할로겐화 페로브스카이트 물질은 우수한 광학적 성능뿐 아니라 값싸게 간편한 공정으로 제작할 수 있어 최근 태양전지와 LED, 레이저, 광센서 분야에서 주목받고 있다. 
페로브스카이트는 최근 일본 니혼게이자이신문이 네덜란드 정보분석기업 엘스비어와 공동으로 선정한 30개 주요 미래 첨단기술 분야 중 1위를 차지했다. 국내 연구진이 페로브스카이트 태양전지 효율 세계기록을 계속 경신하고 있어 국내에도 많이 알려진 연구 대상이다. 하지만 전자 소자 응용에 관한 연구는 세계적으로도 아직 부족한 상황이다.

 

연구팀은 최근 새롭게 제조 기술이 개발되고 양자효과가 극대화되는 특성을 가진 원자 수준으로 얇은 박막 형태의 2차원(2D)과 나노선 형태의 1차원(1D) 페로브스카이트에 주목하고 슈퍼컴퓨터를 활용해 시뮬레이션을 수행했다. 

 

우선 슈퍼컴퓨터를 활용해 우선 1차원 물질인 페로브스카이트 나노선의 유기물을 벗겨내면 기존에 보고되지 않은 준금속성을 발현할 수 있다는 사실을 알아냈다. 이를 전극으로 사용하는 페로브스카이트 나노선을 활용해 터널링 접합 소자를 제작하면 성능 좋은 비선형 부성미분저항(NDR) 소자를 구현할 수 있음을 확인했다. 통상적인 저항은 전압이 증가하면 전류가 늘어나는데 이 저항은 반대로 전류가 오히려 감소한다. 전류와 전압 특성 곡선이 마치 알파벳 ‘N’처럼 비선형적으로 나타나는 현상을 보인다. 이런 특성은 차세대 소자 개발에서 원천기술로 사용된다. 

 

연구팀은 또 부성미분저항 특성이 아직 학계에 보고되지 않은 양자역학적 혼성화에 기반을 두고 있다는 사실을 알아냈다. 페로브스카이트를 사용한 터널링 소자를 이용하면 획기적으로 향상된 부성미분저항 특성을 유도할 수 있음을 증명한 것이다.  

 

김 교수는 “양자역학에 기반한 전산 시뮬레이션을 통해 첨단 나노소재와 나노소자의 개발을 주도할 수 있음을 확인했다”며 “1973년 노벨 물리학상을 받은 레오 에사키 IBM연구소 연구원의 수상 주제였던 양자역학적 터널링 소자 개발의 새 방향을 제시했다”고 말했다. 
 
무하메드 칸 박사후연구원과 이주호 박사과정이 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’에 지난달 7일 소개되기도 했다. 

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