국내 연구진이 얇은 반도체 트렌지스터에 은 소재선을 다리처럼 연결해 기존 전자소자보다 100배 이상 빠른 광전소자 기술을 개발했다. 고성능 소형 소자, 넓은 면적의 광전소자 상용화가 한 층 앞당겨질 전망이다.
기초과학연구원(IBS)은 이현석 나노구조물리 연구단 연구위원팀이 나노미터(㎚) 크기 2차원 반도체물질(MoS2)로도 높은 성능을 유지하는 나노 크기 광전소자 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.
현재 실리콘 반도체 소자는 주로 전자 이동으로 정보를 전달한다. 엄청난 양의 데이터를 생산·소비하는 빅데이터 시대에서는 전달 속도가 충분하지 않다.
광전소자는 이런 문제점을 해결하기 위한 핵심 기술이다. 전자보다 빠른 빛을 전기와 상호 전환시켜 신호를 전달한다.
하지만 빛의 회절현상(빛이 굴절하는 현상)으로 소자 크기를 작게 줄이기는 어려웠다. 적은 출력에서는 빛이 분산돼 필요한 만큼의 양을 얻을 수 없기 때문이다.
연구팀은 빛을 엑시톤·플라즈몬 등 또 다른 빛 형태로 전환해 회절현상을 방지했다. 빛 손실 문제가 해소되면서 광전소자를 미세한 크기로 구현할 수 있게 됐다.
2차원 반도체는 빛을 받으면 엑시톤을 생성해 광자를 방출한다.
광자는 플라즈몬 형태로 바뀌어 트랜지스터 사이를 이은 은 나노선 위를 에너지 손실 없이 이동한다.
은 나노선은 플라즈몬을 구속해 빛의 분산을 막는 역할을 한다.
연구팀은 빛의 형태를 변환해 은 나노선에 귀속시킴으로써 아주 작은 트랜지스터로도 고성능·고효율 광전소자를 만들 수 있게 됐다고 설명했다.
이 광전소자 기술을 적용하면 상온에서도 쓸 수 있는 대면적 광전소자를 만들 수 있다.
기존에는 양자점(나노미터 크기 반도체 결정체), 양자 우물 등으로 광전소자 상용화 연구가 진행됐다.
이들은 발광 효과는 뛰어나지만 영하 260도 이하 저온에서만 동작한다. 합성 과정도 어려워 대면적 양산이 어렵다.
연구팀은 새 광전소자 기술이 `광 컴퓨터` 제작을 위한 밑거름이 될 것으로 내다봤다.
이영희 IBS 나노구조물리 연구단장은 “이번 연구에서 빛을 이용한 고성능·고효율 소자 기술, 빛과 전기를 상호작용하는 원천기술들이 개발됐다”면서 “이들 기술은 앞으로 광 컴퓨터 제작에 도움이 될 것”이라고 말했다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
