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| GIST 조영달 교수팀, 원자진동 트랜지스터 개발 |
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| LED 수명 단축 문제 해결 기대 |
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아이애드피알 
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| ▲ 열의 흐름을 제어할 수 있는 원자 진동 트랜지스터. (사진제공=GIST) © 아이애드피알 | | 지스트(GIST‧광주과학기술원·총장 : 문승현) 정보통신공학부 조영달 교수팀이 열(熱)을 발생시키는 원자 진동의 방향과 세기를 전기적으로 제어할 수 있는 트랜지스터를 개발했다.
이번 성과를 기반으로 열의 세기 등 열의 특성에 대한 연구가 진행될 경우 LED(발광다이오드) 등 전자소자에서 발생하는 열을 제어함으로써 전자소자의 수명 단축 문제를 해결하고, 지금보다 100배 이상 빠른 초고속 정보통신용 소자를 개발하는 데 기여할 것으로 기대된다.
원자 진동은 물질의 기본적인 최소입자인 원자가 외부로터 에너지를 얻어 떨리는 현상이며, 트랜지스터(transistor)는 전류나 전압의 흐름을 증폭하거나 전환하는 소자이다.
이번 연구는 삼성전자가 추진하는 미래기술육성사업의 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 물리학 분야 권위지인 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters) 1월 29일자 온라인 판(논문명 : Electrical Manipulation of Crystal Symmetry for Switching Transverse Acoustic Phonons)에 게재되었다.
열은 높은 주파수인 테라헤르츠 대역의 원자 진동에 의해 발생하는데, 일반적으로 트랜지스터나 LED 등 전자소자의 효율을 떨어뜨리고 에너지 소실을 유발하며 그 특성상 조절하기 어려운 것으로 여겨져 왔다.
최근 새로운 연구 분야로 주목받는 ‘열 전자공학’은 원자 진동 등 열의 특성을 제어함으로써 폐열을 활용하거나 전자소자의 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 이를 위해서는 원자가 진동하는 방향인 모드(mode), 원자 진동의 전송(transport)과 세기(amplitude) 등의 열 특성에 관한 연구가 필수적이다.
특히 열은 원자 진동의 방향(가로 또는 세로)에 따라 전자소자의 효율과 정보통신용 소자의 동작 속도에 영향을 주기 때문에, 원자 진동 방향을 선택적으로 발생시킴으로써 소자별로 어느 방향이 유리한지에 대한 연구가 필요하다.
기존 연구는 모드를 선택적으로 발생시키기 위해 각 모드에 부합하는 구조를 만들거나 다른 특성을 갖는 물질을 접합하는 방법 등을 사용하였다. 이는 비용과 시간측면에서 비효율적이며, 구조 선택에 의해 결정되는 모드를 조절할 수 없기 때문에 활용의 측면에서도 제약이 있었다.
연구팀은 전기적으로 반도체 구조를 변형하는 방법으로 원자 진동의 방향인 모드를 전환하고 진동의 세기 조절도 가능한 새로운 소자를 개발했다.
전기로 반도체의 구조를 정밀하게 변형하는 것은 특정한 원자 진동의 모드를 켜거나 끌 수 있는 스위치 역할을 한다. 연구에 사용된 질화갈륨의 경우, 일반적으로 표면에 수직으로 가해지는 전계에 의해 구조의 압축 및 팽창이 발생되고, 이 변형에 따른 세로방향의 원자진동을 갖는 열이 발생한다.
질화갈륨(Gallium Nitride, GaN)이란 갈륨과 암모니아를 반응시켜 얻어지는 결정으로 청색 발광 다이오드 및 고출력 전자소자에 사용된다.
전계란 전하를 가진 물체가 존재하는 공간의 각 점에 작용하는 전기적인 힘이다.
연구팀은 기존의 구조들에서 무시되었던 표면에 평행한 전계가 압축과 팽창이 아닌 구조의 비틀림 변형을 일으키고 가로방향의 원자진동을 갖는 열의 모드를 발생시킬 수 있음에 착안하여, 표면에 평행한 전계를 조절할 수 있는 구조를 개발하였다.
이를 통해 같은 구조에서 발생되지 않는 것으로 여겨졌던 가로 방향 원자진동 모드의 발생과 세기가 외부적으로 조절될 수 있음을 이론과 실험을 통해 밝혀냈다.
조영달 교수는 “이번 연구를 통해 개발된 원자 진동의 전기적 제어법은 다양한 반도체 물질과 구조의 비 파괴적 내부탐사뿐 아니라 열을 활용한 집적회로 및 논리소자의 개발에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.
/ 아이애드피알 인터넷부 엄재성 A.E. news@iadpr.net
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| 기사입력: 2015/03/25 [19:20] 최종편집: ⓒ iadpr.net |
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