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빛으로 작동하는 나노선 트랜지스터 최초 개발
고해상도 카메라, 빛으로 계산하는 신개념 컴퓨터 등 적용 기대
특허뉴스 박미희기자 기사입력  2017/08/22 [14:32]


박홍규 교수 연구팀(고려대)이 오직 빛으로만 전기 신호를 제어하고 효율적으로 전류를 증폭할 수 있는 새로운 나노선 트랜지스터를 최초로 개발했다고 과학기술정보통신부(장관 유영민, 이하 과기정통부)는 밝혔다.
* 나노선 : 단면의 지름이 수 나노미터에서 수백 나노미터이고 길이는 수십 마이크로미터인 1차원 형태의 나노 구조체. 레이저나 트랜지스터, 메모리, 화학감지용 센서 등 다양한 분야에 쓰임
* 트랜지스터 : 전자회로의 구성요소이며 전류나 전압흐름을 조절하여 전기 신호의증폭, 스위치 역할을 하는 반도체 소자

박홍규 교수 연구팀의 연구내용은 세계적인 학술지 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology) 8월 8일자에 게재되었다.
 
논문명, 주저자정보
- 논문명 : Photon-triggered nanowire transistors
- 저자 정보 : 박홍규 교수(교신저자, 고려대), 김정길 박사(제1저자, 고려대)

트랜지스터는 현대 전자기기를 구성하는 가장 기본 부품 중 하나로서, 전기 신호의 증폭 작용과 스위치 역할을 한다. 기존 트랜지스터의 동작 효율을 높이기 위해 나노 크기로 제작하거나 빛을 쪼여주는 등의 연구가 진행 중이지만, 복잡한 공정과 낮은 수율로 인해 상용화가 어려운 상황이다.
 
연구팀은 실리콘 나노선에 다공성 실리콘을 부분적으로 삽입하여, 빛만으로 전기 신호를 효과적으로 제어할 수 있는 새로운 개념의 나노선 트랜지스터를 개발하였다. 이로서 기존의 복잡한 반도체 설계 및 제작 공정을 획기적으로 줄일 수 있게 되었다.
* 다공성 실리콘 : 내부에 수 나노미터(1 나노미터는 10억분의 1미터)의 수많은 작은 구멍을 가지고 있는 실리콘

다공성 실리콘은 내부에 수많은 작은 구멍이 있어 전기가 거의 흐르지 않는다. 연구팀은 이러한 나쁜 전기적 특성을 역으로 이용해, 빛을 쪼여주면 흐르지 않던 전류가 엄청나게 증폭한다는 점을 최초로 발견했다.

연구팀은 또한, 하나의 실리콘 나노선 안에 두 개의 다공성 실리콘을 갖는 트랜지스터를 제작하여 새로운 논리 회로를 구현하였다. 게다가 다공성 실리콘을 여러 개 포함하는 얇은 나노선 트랜지스터를 제작하여, 1 마이크로미터 미만의 높은 분해능으로 매우 약한 빛을 검출할 수 있는 고성능 광검출기를 구현했다.
* 논리 회로 : 1 또는 0의 두 값 신호로 주어진 입력에 대응한 두 값 신호의 출력을 얻는 회로를 말하며, 컴퓨터의 연산장치, 제어장치 등의 기본이 되는 회로
* 광검출기 : 광신호를 검출하여 전기 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 소자

박홍규 교수는 “이 연구는 다공성 실리콘을 원하는 곳에 배치시키고 빛을 필요한 위치에 쪼여주기만 하면 나노선 하나만으로 모든 전자 기기들을 간단히 제작할 수 있음을 보여준 것이다. 이로서 매우 민감한 고해상도 카메라, 빛으로 빠르게 계산이 가능한 신개념의 컴퓨터 개발 등에 적용이 가능할 것으로 기대된다.”고 연구의 의의를 밝혔다.

이 연구는 과학기술정보통신부 기초연구지원사업의 지원을 받아 수행되었다.

논문의 주요 내용
 
1. 연구의 필요성
현재 트랜지스터의 동작 효율을 증대시키기 위해 다양한 연구가 진행되고 있다. 나노 크기의 트랜지스터를 제작하여 전기적 특성을 보다 효과적으로 변화시키거나, 트랜지스터에 빛을 쪼여주어 스위칭 효과를 더욱 증가시키기도 한다. 그러나 이러한 트랜지스터는 복잡한 공정과 낮은 수율로 인해 실제 제품화는 어려운 실정이다.
* 트랜지스터 : 전자회로의 구성요소이며 전류나 전압흐름을 조절하여 증폭, 스위치 역할을 하는 반도체 소자
 
반면, 전기 신호가 아닌 빛으로만 트랜지스터의 전기적 특성을 제어하게 되면, 기존의 복잡한 반도체 공정과정을 없앨 수 있어 비용적, 기술적 노력을 줄일 수 있다. 게다가 고성능 논리 회로, 민감한 광검출기 등의 응용소자를 손쉽게 구현할 수 있다.

2. 연구 내용
이 연구에서는 빛으로 전기 신호를 제어하는 새로운 트랜지스터를 세계 최초로 개발하였다. 우선 수백 나노미터 길이의 다공성 실리콘이 부분적으로 포함된 결정질 실리콘 나노선을 합성하였다. 다공성 실리콘은 내부에 수 나노미터의 수많은 작은 구멍들이 있어 주입된 전자들을 강하게 구속시킨다. 즉, 합성된 나노선의 양 끝단에 전압을 걸어주어도 다공성 실리콘 때문에 전류가 거의 흐르지 않는다.
* 다공성 실리콘 : 내부에 수 나노미터(1 나노미터는 10억분의 1미터)의 수많은 작은 구멍을 가지고 있는 실리콘.
* 나노선 : 단면의 지름이 수 나노미터에서 수백 나노미터이고 길이는 수십 마이크로미터인 1차원 형태의 나노 구조체. 레이저나 트랜지스터, 메모리, 화학감지용 센서 등 다양한 분야에 쓰임.
 
박홍규 교수 연구팀은 다공성 실리콘의 이러한 나쁜 전기적 특성을 역으로 이용해 새로운 트랜지스터를 개발하였다. 다공성 실리콘에 레이저를 쪼여주면 구속되어 있던 수많은 전자들이 에너지를 받아 탈출하고 많은 전류가 흐르게 된다. 빛에 의해 전기적 특성을 효과적으로 제어할 수 있어, 천만배 이상의 전류 증폭을 측정할 수 있었다.
 
3. 연구 성과
하나의 실리콘 나노선 안에 두 개의 다공성 실리콘을 갖는 트랜지스터를 제작하여 새로운 논리 회로를 구현하였다. 각각의 다공성 실리콘에 레이저 빛을 쪼여주었는지 아닌지를 입력값으로 하고, AND, OR 그리고 NAND의 논리 연산을 수행하여 원하는 출력값을 얻을 수 있었다. 이러한 논리 회로는 모든 컴퓨터의 기초가 되는 소자이므로 빛으로 빠르게 계산이 가능한 컴퓨터의 개발이 가능하다.
* 논리 회로 : 1 또는 0의 두 값 신호로 주어진 입력에 대응한 두 값 신호의 출력을 얻는 회로를 말하며, 컴퓨터의 연산장치, 제어장치 등의 기본이 되는 회로
 
또한, 나노선의 지름을 25 나노미터 정도로 더욱 얇게 하여 빛에 매우 민감한 트랜지스터를 개발하였다. 이는 매우 약한 빛을 검출할 수 있는 민감한 광검출기로 이용할 수 있다. 본 연구에서는 다수의 다공성 실리콘을 나노선 안에 촘촘히 삽입하여 1 마이크로미터 미만의 높은 집적도를 갖는 새로운 광검출기를 구현하였다.
* 광검출기 : 광신호를 검출하여 전기 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 소자
 
 
▲    빛으로 구동하는 실리콘 나노선 트랜지스터  © 특허뉴스

그림설명 :  빛으로 구동하는 실리콘 나노선 트랜지스터
다공성 실리콘에 빛을 쪼여주어 나노선의 전기적 특성이 변화함을 보여주는 모식도.
그림입니다.
 
 
 
▲   빛으로 구동하는 실리콘 나노선 트랜지스터   © 특허뉴스
 
그림설명 : 빛으로 구동하는 실리콘 나노선 트랜지스터
다공성 실리콘(Porous Si (PSi))이 단결정 실리콘(Crystal Si (CSi)) 나노선에 부분적으로 삽입되어 있음을 보여주는 전자현미경 사진 (왼쪽). 다공성 실리콘에 레이저를 조사하였을 때 레이저 세기가 커짐에 따라 전류가 커지고 있다 (오른쪽). 최대 천만배의 전류 증가가 측정되었다.


 
▲   빛으로 구동하는 NAND 논리 회로   © 특허뉴스
 
그림설명 : 빛으로 구동하는 NAND 논리 회로
두 개의 다공성 실리콘에 각각의 레이저를 조사하여 구현된 NAND 논리 회로 (왼쪽). 입력값으로서 레이저가 on 상태일 때가 ‘1’, off 상태일 때가 ‘0’이다. 입력값이 ‘00’, ‘01’, ‘10’ 일 때 출력값은 ‘1’ (5 V)이 나오고, 입력값이 ‘11’일 때 출력값은 ‘0’ (3.75 V)이 되어 NAND 논리 회로가 형성된다 (오른쪽).

기사입력: 2017/08/22 [14:32]  최종편집: ⓒ e-patentnews.com
 
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