다아라 매거진 _ 2018.09

기술뉴스

[Technical News]이차원 반도체소재, 에너지 발전 극대화 가능해져

전자발생률, 충격이온화로 확대

[Technical News]이차원 반도체소재, 에너지 발전 극대화 가능해져 - 다아라매거진 기술뉴스
충격이온화를 통한 전자수의 급격한 증가


충격이온화가 일어나면 전하반송자의 수가 증가하여 반도체 성능 향상 외에, 태양전지, 광검지센서, 광에미터와 같은 광전소자의 에너지효율과 광전변환속도를 크게 높일 수 있으므로 산업응용의 측면에서 매우 중요하게 활용할 수 있다.

기존에는 실리콘 등의 전자재료에서 충격이온화에 대한 연구가 있었지만, 소재의 삼차원 구조적 한계로 효과가 거의 없는 걸로 알려져 있었다.

그러나 최근 이차원 소재 연구가 활발해지면서 이차원 소재 중 흑린에서 충격이온화가 활발히 일어나는 게 관찰됐다. 특히 이차원 소재에서는 수직방향으로 전자운동이 제한되므로 충격이온화는 새로운 모양으로 전개될 것을 기대할 수 있었다.

유원종 교수(성균관대학교) 연구팀이 이차원 흑린 소재를 활용해 전자 소재 내에서 가속적 충격이온화에 따른 전자 발생 기술을 개발했다고 한국연구재단(이사장 노정혜)은 밝혔다.

연구팀은 종이보다 얇은 이차원 소재의 전자 수송을 연구하던 중, 흑린에서 충격이온화로 인한 전자수 증가 현상이 활발히 일어나는 것을 관찰했다. 이어 흑린이 공기 중에서 산화되지 않도록 보호된 흑린 소자를 제작했다.

흑린 소자는 전압의 증가에 따라 전자수가 10배 이상 급증하고, 전류도 가속적으로 증가한다. 실리콘 등 기존 반도체 물질에서는 높은 전압을 걸어도 전류가 더 이상 증가하지 않는 것과 대조된다. 이를 이용하면 반도체 성능 향상 뿐 아니라 에너지 효율도 크게 높일 수 있다.

유원종 교수는 “이 연구는 이차원 반도체소재 흑린의 충격이온화 현상을 통해 전자수가 폭발적으로 증가하는 현상을 발견한 것”이라며, 향후 “반도체, 태양전지, LED의 에너지 효율을 극대화하는 데에 적용될 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.

유 교수의 설명에 따르면, 흑린을 육방정질화붕소 차단처리를 통해서 신뢰성 높은 이차원 소자를 제작할 수 있는 플랫폼 기술을 제공할 것으로 보인다.

육방정질화붕소 채용을 통해서 흑린소자에서 발생한 열이 쉽게 제거되는 효과가 발견돼, 기존에 일반적으로 사용하던 실리콘산화막(SiO2)을 대치할 수 있을 걸로 기대된다.

유 교수는 “이번 연구 결과는 이차원 소재 기반 미래 전자소자 및 광전소자를 사용할 때 획기적인 에너지절감 및 저전력동작을 가능하게 할 것”이라고 말했다.

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