이차원 반도체, 전류증폭 원인 찾았다..이차원 초박막 반도체소자 응용

기사입력 : 2018년07월30일 14:10

최종수정 : 2018년07월30일 15:03

고전계((高電界)하 전류 증폭하는 ‘애벌런시’ 현상 최초 규명
KIST·서울대 연구.."차세대 웨어러블 응용소자 구현에 크게 기여"

[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 최근 전자 소자의 크기가 수 마이크로미터(㎛, 100만분의 1m) 이하로 작아졌다. 이렇게 되자, 반도체 층이 강한 전기장 환경에 노출될 때는 반도체 내부의 높은 전류에 의한 열로 인해 소자 동작에 실패하는 사례가 자주 발생했다. 하지만 원인이 명확하게 밝혀지지 않은 상태였다.

이번에 국내 연구진이 ‘꿈의 소재’ 그래핀(Graphene)과 같은 이차원 물질을 활용한 이차원 반도체의 점점 작아진 소자 크기로 인해 발생할 수 있는 이런 물리적 현상, 전기적 특성 변화에 대한 이해도를 높인 연구결과를 내놨다.

30일 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)에 따르면 KIST 광전하이브리드연구센터 정승준 박사팀은 서울대 물리천문학부 이탁희 교수팀과의 공동연구에서, 강한 전기장 하에서 이차원 신소재인 이황화 몰리브덴(MoS2) 전계효과트랜지스터의 임계전압 후 전류 증폭이라는 독특한 물리적 현상의 원인이 ‘전자사태 항복(애벌런시·avalanche breakdown)’ 현상임을 밝혔다.

이황화 몰리브덴(MoS2) 전계효과트랜지스터에서의 애벌런시(아발란체) 현상 연구 : (a) 채널 길이에 따른 아발란체 현상. (b) 아발란채 현상 설명을 위한 밴드다이어그램. (c) MoS2 두께에 따른 임계전기장(ECR). (d) 충격이온화율 (Impact Ionization Rate).

‘전자사태 항복’이란 반도체 속의 강한 전계에 의해 새로운 캐리어를 발생하는 과정이 반복, 이때 생기는 전류의 증폭에 의해 현저하게 전기저항이 작아지는 상태다.

전계(電界)효과트랜지스터((electric) field-effect transistor·FET)란 표면적에 비해 아주 얇은 박막(薄膜·thin film) 형태의 반도체에 흐르는 전류에 대해 이와 수직인 전계(電界·electric field)를 가해서 전자 흐름을 다른 전극으로 제어하는 전압 제어형 반도체를 말한다.

특히 연구진은 전류 증폭의 임계전압은 이차원 반도체의 두께에 따라 변화한다는 것을 규명했다. 두께가 두꺼울 때 임계전압이 낮아지고 두께가 얇을 때 임계전압이 높아진다는 것이다.

이차원 신소재 중 이황화 몰리브덴은 박막화가 용이해 초박막 웨어러블 전자소자에 응용할 수 있다는 장점이 있다. 또 잘 휘어지고, 투명한 속성, 높은 전하 이동속도를 갖는 차세대 웨어러블 반도체 소재로 크게 주목 받고 있다.

정승준 박사는 “향후 초박막 이차원 반도체와 전자재료의 기반이 될 차세대 웨어러블 응용소자 구현에 크게 기여할 것으로 기대된다”고 이번 연구의 의의를 밝혔다.

과학기술정보통신부 지원으로 KIST 기관고유사업과 한국연구재단 창의연구단 과제로 수행된 이번 연구결과는 ‘ACS Nano’ 최신호에 게재됐다.

◆ 연구자가 직접 전하는 ‘연구이야기’

논문 교신저자인 한국과학기술연구원 정승준(왼쪽) 선임연구원과 서울대 물리천문학부 이탁희(가운데) 교수, 사진 왼쪽은 제1저인 서울대 물리천문학부 박진수 박사과정 연구원 [사진제공=KIST]

- 이번 성과 뭐가 다른가.

▲ 게재 논문명은 ‘Two-Dimensional Thickness-Dependent Avalanche Breakdown Phenomena in MoS2 Field-Effect Transistors under High Electric Fields’이다. 이 논문에서 우리는 이차원 물질 기반의 전계효과트랜지스터에서 물질 두께에 따라 변화하는 아발란체 현상을 최초로 관측하고 분석했다. 또 이차원 물질에서 전자수송방식이 현재까지 정확하게 설명되지 못했는데, 이차원 물질에서의 임계전기장-밴드갭(critical electric field-band gap) 관계가 ‘band-like 전자수송방식’으로 설명되는 삼차원물질에서의 관계와 잘 들어맞는 것을 관측했다.

- 어디에 사용할 수 있나.

▲ 이차원 물질들을 이용해 ‘아발란체 포토다이오드’를 제작한다면 웨어러블한 투명 고효율 광검출기로 사용될 수 있다. 또한 아발란체 특성을 이용한 전자 소자의 전기적 특성을 조절하는 데 사용될 수 있을 것으로 기대한다.

- 연구를 시작한 계기는.

▲ 그래핀에 강한 전기장을 가하게 되면 열에 의해 그래핀이 데미지(damage, 손상)를 받으면서 그래핀 나노갭을 만들 수 있는 ‘Electo-burning 방법’이 기존에 있었다. 이 아이디어로부터 이차원 반도체 나노갭을 만들어 보기 위해 이번 연구를 시작했다. 이후 열에 의해 이차원 반도체가 물리적 데미지를 받기 전, 전류가 급증하는 현상을 발견하고, 이에 대한 원인을 분석하기 시작했다.

- 기대효과와 실용화를 위한 과제는.

▲ 이번 연구를 통해 이차원 물질의 두께에 따른 아발란체 현상을 이해할 수 있었다. 물질의 두께가 얇으면 아발란체 현상을 관찰하기 위해 강한 전기장이 요구되지만 충격 이온화율이 높은 장점이 있다. 반면에 물질의 두께가 두꺼우면 아발란체 현상을 관찰하기 위해 비교적 낮은 전기장이 필요하지만 충격이온화율이 낮은 단점이 있다. 이처럼 반도체층의 두께 조절을 통해 n형 이차원 반도체물질과 p형 이차원 반도체로 구성된 아발란체 포토다이오드의 물성을 조절할 수 있다. 또 전류가 증가함에 따라 발생하는 열에 대한 분석을 통해 이차원 반도체의 소자 열화 현상을 연구할 수 있을 것으로 기대한다.

kimys@newspim.com

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'노멀' 이 된 1450원...환전 시기 등 문의 봇물 [서울=뉴스핌] 김연순 기자 = # 40대 직장인 이모씨는 최근 달러/원 환율이 1450원대로 치솟으면서 고민이다. 이씨는 내년 1월 가족들과 함께 해외여행을 떠날 예정인데 환율이 급등해 원화 가치가 급락했기 때문이다. 달러 환전 시기, 환전 방법을 놓고 고민을 거듭하고 있다. 달러/원 환율이 급등하면서 해외여행을 준비하는 A씨의 경우처럼 은행 영업점에 환전 문의가 잇따르고 있다. A은행의 영업점 관계자는 "환율이 급등하면서 환전시기를 문의하는 고객들이 많다"며 "환율 수수료 우대에 대한 문의도 많은 편"이라고 했다. 은행 모바일 앱을 이용하면 수수료를 우대하기 때문에 더욱 저렴하게 환전할 수 있다. KB국민은행 (KB스타뱅킹), 신한은행(신한쏠), 하나은행(하나원큐) 등 '앱환전'을 한 후 영업점에 방문해 이를 찾기만 하면 된다. 고객은 원하는 금액과 환전 날짜를 선택하고, 예약을 완료하면 지정된 날짜에 해당 금액을 확정된 환율로 환전할 수 있다. 시중은행의 한 관계자는 "환전 예약 시 예약한 금액과 환율에 대한 확인을 철저히 해야 한다"며 "특정 조건에 따라 수수료가 발생할 수 있으므로 사전에 관련 정보를 확인하는 것이 필요하다"고 전했다. 특히 출국 전 급하게 공항에서 환전한다면 손실액은 커진다. 공항에서는 일반적인 현찰매매율이 아닌 '공항환율'을 적용하기 때문이다. 은행마다 조금씩 다르지만 보통 달러화 기준 4%내외가 적용된다. 수수료 우대율도 낮게 적용돼, 일반 지점보다 3~4배 이상 많은 수수료를 내야 할 수 있다. [서울=뉴스핌] 양윤모 기자 = 서울 중구 하나은행 딜링룸에서 직원들이 업무를 보고 있다. 2024.12.19 yym58@newspim.com 또한 방문하려는 국가에서 수수료 없이 현금을 출금할 수 있는 카드를 미리 만들어 가지고 가는 것도 또 하나의 팁이다. 하나카드 '트래블로그' 체크카드는 100% 환율 우대, 해외 결제·인출 수수료 면제 등 혜택을 제공한다. 미국에서 해당 카드를 이용하면 북미 전역에 있는 올포인트(Allpoint) 로고가 부착된 ATM에서 인출 수수료 면제 혜택을 받을 수 있다. 달러 변동에 대비해 미리 환전을 해두고 현지 ATM에서 돈을 뽑아두면 원화값이 떨어져도 방어가 가능하다. 우리은행의 경우 태국과 필리핀에서 현지 제휴사 ATM에서 외화 출금이 가능한 '해외 ATM 서비스'를 제공한다. 해외 로밍, 유심·이심 사용 고객이면 우리은행 앱에서 누구나 이용할 수 있다. 해당 서비스를 통해 태국에서는 9만바트(약 360만원), 필리핀에서는 5만페소(약 120만원)까지 출금할 수 있다. 신한금융의 'SOL 트래블 체크카드'와 우리금융의 '위비트래블 체크카드'는 체크카드 연계 외화계좌에 달러나 유로를 예치하면 달러는 연 최대 2%, 유로는 1.5% 이자를 지급해주는 만큼 이자도 받을 수 있다. 'SOL트래블 체크카드'의 경우 전 세계 통화 30종에 100% 환율 우대와 해외 결제 및 해외 ATM(자동 입출금기) 인출 수수료 면제를 제공하는 것이 특징이다. 토스뱅크의 외화통장과 연계된 체크카드의 경우 부족한 돈을 자동 환전할 수 있는 기능이 있어 외화를 미리 충전해두지 않아도 된다. B은행의 영업점 관계자는 "환율 변동성이 확대되는 상황에서 최적의 환전 시기를 특정하는 것은 어렵다"면서도 "단기간에 환율이 급등한 상황에서 시간적 여유가 있다면 일단은 환율 추이를 지켜보는 것을 권한다"고 전했다. y2kid@newspim.com 2024-12-23 16:52

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트럼프 만난 정용진 "믿고 기다려달라 했다" [서울=뉴스핌] 조민교 기자 = 도널드 트럼프 미국 대통령 당선인과 만난 정용진 신세계그룹 회장이 "한국 상황에 관심을 표했다"며 "대한민국은 저력 있는 나라이니 믿고 기다려달라, 빨리 정상을 찾을 것이라고 설명했다"고 말했다. 정 회장은 지난 16~21(현지시간)일 도널드 트럼프 미국 대통령 당선인의 자택이 있는 플로리다주 팜비치 마러라고 리조트에 머무르며 당선인과 함께 환담을 나눴다. 이번 미국 방문은 트럼프 당선인의 장남 도널드 트럼프 주니어의 초정으로 이뤄졌다. 트럼프 당선인이 11월 미국 대선에서 승리한 뒤 한국 기업인을 만난 건 정 회장이 처음이다. 정용진 신세계그룹 회장 [사진=신세계] 정 회장은 22일 오후 인천국제공항 2터미널에서 기자들과 만나 '트럼프 당선인이나 주변인이 현재 한국 상황에 대해 관심을 표했느냐'는 질문을 받고 "한국 상황에 관심을 표했다"고 답했다. 정 회장은 트럼프 당선인과의 대화에 대해서는 "구체적 내용은 말씀드릴 수 없을 것 같다"며 10~15분 정도 대화를 나눴다고 했다. 이어 양국 간 민간 가교 역할을 할 것이냐는 질문엔 "거기까진 생각 못 했다"며 "사업하는 입장에서 제가 맡은 위치에서 열심히 하려고 하고 있다"고 답했다. 또 트럼프 당선인의 대선 승리가 한국 기업 경제에 어떤 영향을 미칠지에 대해서는 "거기까지는 제가 말씀드릴 처지가 아니다"고 말했다. 정 회장은 내년 트럼프 당선인 취임식에 초청받았는지 여부에는 "특별하게 연락받은 바 없다"면서도 "정부 사절단이 꾸려지는 대로 참여 요청이 오면 기꺼이 응할 생각이 있다"고 말했다. 이번 출장 소회에 대해선 "트럼프 주니어 초대로 이뤄진 것으로, 트럼프 주니어가 많은 인사들을 소개해 줘서 많은 사람과 교류하며 오랜 시간 대화를 나눌 수 있는 시간이 있었다"고 밝혔다. 일론 머스크 테슬라 최고경영자(CEO)를 만났는지에 관해선 "만났다"며 "그냥 짧은 인사 정도만 나눴다"고 했다. 일론 머스크가 한국 상황에 관심이 있었냐는 질문엔 "관심 없었다"고 전했다. 정 회장은 전기차 테슬라의 국내 1호 오너이기도 하다. 정 회장은 이번에 그룹의 미국 사업 확대 계획을 논의했는지에 관해선 "사업적인 얘기니까 여기서 얘기할 게 아니라고 생각한다"고 말을 아꼈다. 아웃렛, 골프장 관련 논의는 "없었다"고 했다. mkyo@newspim.com 2024-12-22 20:58