이차원 반도체소재 에너지 발생 극대화

유원종, 이차원 흑린 소재 활용 전자 발생 기술 개발

이차원 소자에 전압을 인가할 때 급격한 전자수 증가에 의해 국소부위에 에너지가 폭발적으로 증가한 상황을 보이며 원래 옅은 파란색으로 보이던 소재가 진한 파란색으로 변한 것을 알 수 있다(왼쪽). 왼쪽의 연한 파란 이차원 흑린소재의 동일부위에 대해 라만분광분석을 통해 해당 국소부위에 에너지집중에 의한 손상이 발생했음을 보여준다.
ⓒ한국연구재단

성균관대 유원종 교수 연구진이 이차원 흑린 소재를 활용해 전자 소재 내에서 가속적 충격이온화에 따른 전자 발생 기술을 개발해, 이차원 반도체소재에서 에너지 발생을 극대화할 수 있게 됐다.

흑린(black phosphorus)은 인이 이차원 구조를 가지면서 나타나는 물질이며, 충격이온화는 고체 내 근접한 전하반송자(전자 또는 홀) 사이에 일어나는 전기적 반응에 의해 추가적인 전자-홀 쌍이 생성되는 현상이다.

한국연구재단은 28일 연구팀은 종이보다 얇은 이차원 소재의 전자 수송을 연구하던 중 흑린에서 충격이온화로 인한 전자수 증가 현상이 활발히 일어나는 것을 관찰한데 이어 흑린이 공기 중에서 산화되지 않도록 보호된 흑린 소자를 제작했다고 발표했다.

흑린 소자는 전압의 증가에 따라 전자수가 10배 이상 급증하고, 전류도 가속적으로 증가해 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 교수 ⓒ한국연구재단

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”고 설명했다.

이 연구 성과는국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 8월 24일 논문으로 게재되었다.