김용훈 KAIST 교수팀, 페로브스카이트 나노선 기반 소자 구현방안 제시

왼쪽부터 이주호 박사과정, 무하메드 칸 박사후연구원, 김용훈 교수.

김용훈 KAIST(총장 신성철) 전기·전자공학부 교수 연구팀이 저차원 페로브스카이트 나노소재의 새 물성을 규명하고 해당 소재를 이용한 새로운 비선형 소자 구현 방법을 제시했다.

무하메드 칸 박사후연구원과 이주호 박사과정이 공동1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈' 1월 7일자 온라인판에 게재됐고, 표지 논문으로 선정돼 출간된다.

연구팀은 최근 태양전지, 발광다이오드(LED) 등 광소자 응용의 핵심 요소로 주목받는 페로브스카이트 나노소재가 차세대 전자 소자 구현에도 유망하다는 점을 증명했다. 또 초절전·다진법 전자 소자 구현에 필요한 부성 미분 저항 소자를 구현하는 새로운 이론적 청사진을 제시했다.

유무기 하이브리드 할로겐화 페로브스카이트 물질은 우수한 광학적 성능뿐만 아니라 저비용의 간편한 공정으로 제작할 수 있어 최근 태양전지 및 LED 등 다양한 광소자 응용 분야에서 주목받고 있다. 하지만 할로겐화 페로브스카이트의 전자 소자 응용에 관한 연구는 세계적으로도 아직 부족한 상황이었다.

김 교수 연구팀은 최근 새롭게 관련 제조 기술이 개발되고 있는데다, 양자효과가 극대화되는 특성을 지닌 저차원 유무기 할로겐화 페로브스카이트 물질에 주목했다.

우선 슈퍼컴퓨터를 활용해 1차원 페로브스카이트 나노선의 유기물을 벗겨내면 준 금속성 특성을 발현할 수 있다는 것을 발견했다. 이런 1차원 무기 틀을 전극으로 활용해 단일 페로브스카이트 나노선 기반의 터널링 접합 소자를 제작할 경우 매우 우수한 비선형 부성미분저항 소자를 구현할 수 있음을 확인했다.

부성미분저항은 일반적인 특성과는 반대로 특정 구간에서 전압이 증가할 때 전류는 오히려 감소해 전류-전압 특성 곡성이 마치 알파벳 'N'모양처럼 비선형적으로 나타나는 현상을 말한다. 차세대 소자 개발의 원천기술 이 되는 매우 중요한 특성이다.

연구팀은 나아가 이 부성미분저항 특성은 기존에 보고된 바 없는 양자 역학적 혼성화에 기반을 둔 새로운 부성미분저항 원리에 기반한다는 점을 밝혀냈다.

저차원 할로겐화 페로브스카이트의 새로운 구조적·전기적 특성을 규명했을 뿐 아니라 페로브스카이트 기반의 터널링 소자를 이용하면 획기적으로 향상된 부성미분저항 소자 특성을 유도할 수 있음을 증명한 것이다.

김용훈 KAIST 교수는 "이번 연구는 양자역학에 기반한 전산모사가 첨단 나노소재 및 나노소자의 개발을 선도할 수 있음을 보여준 것"이라며 "특히 1973년 일본의 에사키 박사의 노벨상 수상 주제였던 양자역학적 터널링 소자 개발에 새로운 방향을 제시한 연구"라고 말했다.
한윤창 기자 storm0238@