'페로브스카이트 나노선' 차세대 전자소자 활용 기대

KAIST김용훈 교수팀, 페로브스카이트 구조적·전기적 특성 새롭게 규명
페로브스카이트, 우수한 광학적 성능·저비용 공정···광소자 응용 핵심요소
무기 틀 PbI3 나노선의 안정성·준금속성 특성을 이용해 TMSPbI3 기반의 터널링 소자(PbI3-TMSPbI3-PbI3)를 제시했다.<이미지=KAIST 제공>무기 틀 PbI3 나노선의 안정성·준금속성 특성을 이용해 TMSPbI3 기반의 터널링 소자(PbI3-TMSPbI3-PbI3)를 제시했다.<이미지=KAIST 제공>

국내연구진이 태양전지, LED 등 광소자 응용의 핵심요소인 페로브스카이트 물질이 차세대 전자소자 구현에도 활용될 수 있음을 규명했다.

KAIST(총장 신성철)는 김용훈 연구진이 저차원 페로브스카이트 나노소재의 새로운 물리적 특성을 밝히고, 새로운 비선형소자 구현 방법을 제시했다고 21일 밝혔다.

'유무기 하이브리드 할로겐화 페로브스카이트' 물질은 우수한 광학적 성능과 저비용의 간편한 공정으로 제작이 가능해, 태양전지, LED, 광센서, 레이저 등 다양한 광소자 응용 분야에서 주목받고 있다. 그러나 주목도에 비해 응용 연구는 미미한 상태다.

연구진은 저차원 유무기 할로겐화 페로브스카이트 물질에 주목했다. 이는 양자 효과가 극대화되는 특성을 가지고 있다. 최근 새로운 제조 기술이 개발되기도 했다.

연구진은 슈퍼컴퓨터를 활용해 나노선 형태의  1차원 페로브스카이트의 유기물을 벗겨냈다. 이를 통해 준 금속성 특성이 발현됨을 발견했다. 또한 이를 전극으로 활용해 단일 페로브스카이트 나노선 기반의 터널링 접합 소자를 제작, 우수한 비선형 부성미분저항(NDR) 소자 구현이 가능함을 확인했다.

NDR은 전류-전압 특성 곡성이 마치 알파벳 'N'모양처럼 비선형적으로 나타나는 현상을 말한다.일반적인 특성과 반대로 특정 구간에서 전압이 증가할 때 전류는 오히려 감소한다. 이는 차세대 소자 개발의 원천기술이 되는 중요한 특성이다.

NDR 특성은 두 전극 사이의 전류량이 급격히 줄어드는 현상에서 기인했다. 이는 양자 혼성화(quantum hybridization) 상태가 특정 전압 이후 붕괴돼 발생하는 현상이다. 연구진은 이를 규명, 새로운 양자 혼성화 기반의 NDR 원리를 확립했다.

결과적으로 저차원 할로겐화 페로브스카이트의 새로운 구조적·전기적 특성을 발견하고, 이를 기반으로 터널링 소자를 이용하면 향상된 NDR 소자 특성이 유도됨을 증명했다.

김용훈 교수는 "양자역학에 기반한 전산모사가 첨단 나노소재·소자의 개발을 선도할 수 있음을 보여준 연구"라며 "1973년 일본의 에사키(Esaki) 박사의 노벨상 수상 주제였던 양자역학적 터널링 소자 개발의 새로운 방향을 제시했다"고 말했다.

한편, 이번 연구는 무하메드 칸(Muhammad Ejaz Khan) 연구원과 이주호 박사과정이 공동 1저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)' 1월 7일자 온라인판에 게재됐으며, 표지논문으로 선정돼 출간될 예정이다.
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