KIST, 탠덤 태양전지 효율 극대화 플랫폼 기술 개발 - 유기물 반도체의 값싼 장점, 무기물 반도체의 효율이 높은 장점 극대화 - 2.4V의 높은 전압을 이용하면 직접 물분해를 통해 수소 생산 가능 환경친화적이며 미래지향적인 에너지 생산방법으로 태양전지를 최우선적으로 생각할 수 있다. 세계적으로 태양전지 보급이 확대되고 있는데 효율이 개선된다면 태양에너지 활용 분야는 더 넓어질 수 있다. 하지만 실리콘 태양전지와 같은 단일 접합 태양전지는 이론적 한계효율(쇼클리-콰이저 한계？, Shockley-Queisser limit)을 넘어설 수 없는 것으로 여겨져 왔다. 이 한계를 돌파할 수 있는 기술이 바로 탠덤 (다중 접합) 태양전지다. *쇼클리-콰이저 한계 : 낮은 에너지의 광자는 태양전지로 쓰이는 반도체에 흡수되지 못한 채 투과되고, 높은 에너지의 광자는 흡수된 후 열에너지로 낭비되기 때문에 발생하는 이론적 한계효율 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 김홍곤 박사팀은 태양전지의 이론효율 한계를 뛰어넘을 수 있는 유-무기 하이브리드 탠덤 태양전지의 플랫폼 기술을 개발했다. 탠덤 태양전지는 광 흡수 영역이 서로 보완적인 두 개 이상의 광흡수 반도체를 수직으로 쌓아 태양에너지 중 투과되는 손실과 열에너지로 낭비되는 손실을 최소한으로 줄이는 기술이다. 기존의 무기탠덤 태양전지는 갈륨, 비소와 같은 값비싼 재료와 고가의 공정장비를 사용하여 제조되기 때문에 우주선과 같이 제한된 곳에 활용될 뿐 널리 상용화되지는 못했다. 연구팀이 개발한 기술은 유-무기 하이브리드 탠덤 구조를 고안하여 저비용, 고효율 태양전지를 가능하게 하는 플랫폼 기술이다. 유기물 반도체의 저렴한 장점과 무기물 반도체의 효율이 높은 장점을 하나의 소자 내에서 최대화하는 것이 핵심 아이디어였다. 연구팀은 이웃하는 단일 접합 태양전지들을 이어주는 계면층 개발과 소자 전체에서 전류 분포를 고르게 하는 전류매칭 기술에 주력했고, 그 결과 유-무기 하이브리드 구조의 탠덤 태양전지 분야에서는 세계 최고인 9.5%의 효율을 달성했다. 이번에 개발된 유-무기 하이브리드 탠덤 태양전지는 2.4 V에 달하는 높은 전압이 가장 큰 특징으로 이는 물분해를 통한 수소 생산에 활용되기에도 충분한 크기이다. 또, 세계 각국의 많은 연구자들이 다양한 종류의 단일 접합 태양전지 분야에서 광전변환효율 개선을 위해 노력하고 있는데, 이번에 확보된 플랫폼 기술을 적용하면 단일 접합 태양전지의 기술발전을 탠덤 태양전지의 고효율화에 바로 적용할 수 있다는 게 연구진의 설명이다. 이번 성과는 국가과학기술연구회(구 기초기술연구회) NAP(National Agenda Project, 국가 아젠다 해결형)사업 및 KIST의 기관고유사업의 결과다. KIST 광전하이브리드연구센터의 김홍곤, 이도권, 한승희 박사 연구팀의 태양전지 분야에서 축적된 원천기술과 성균관대학교 이준신 교수팀의 무기박막태양전지 기술, 그리고 서울대학교 김창순 교수팀의 계산과학이 어우러진 융합연구를 통해 이루어낸 성과라는 점에서도 의의가 크다. KIST 김홍곤 박사는 “개발된 탠덤 소자는 그 자체로 매우 높은 전압을 나타내기 때문에 모듈화(일반적으로 태양전지로부터 고전압을 얻기 위해 단일접합 태양전지 여러 개를 직렬 연결하는 것)에 따른 저항손실 없이도 물분해 등에 적용될 수 있다”면서 “다양한 단일접합 태양전지 기술이 발전함에 따라 탠덤화 플랫폼 기술의 수요도 증가할 것”이라고 말했다. 이번 연구 성과는 11월 21일 네이처 출판사에서 발행하는 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 온라인판에 "Triple-Junction Hybrid Tandem Solar Cells with Amorphous Silicon and Polymer-Fullerene Blends"의 제목으로 게재되었다. <참고 이미지 자료> 1. 연구내용 요약용 이미지 위: 유-무기 하이브리드 탠덤 태양전지 구조 아래: 탠덤 태양전지 고효율화를 위한 계산 결과 KIST 김홍곤 박사 KIST 이도권 박사

KIST, 탠덤 태양전지 효율 극대화 플랫폼 기술 개발 - 유기물 반도체의 값싼 장점, 무기물 반도체의 효율이 높은 장점 극대화 - 2.4V의 높은 전압을 이용하면 직접 물분해를 통해 수소 생산 가능 환경친화적이며 미래지향적인 에너지 생산방법으로 태양전지를 최우선적으로 생각할 수 있다. 세계적으로 태양전지 보급이 확대되고 있는데 효율이 개선된다면 태양에너지 활용 분야는 더 넓어질 수 있다. 하지만 실리콘 태양전지와 같은 단일 접합 태양전지는 이론적 한계효율(쇼클리-콰이저 한계？, Shockley-Queisser limit)을 넘어설 수 없는 것으로 여겨져 왔다. 이 한계를 돌파할 수 있는 기술이 바로 탠덤 (다중 접합) 태양전지다. *쇼클리-콰이저 한계 : 낮은 에너지의 광자는 태양전지로 쓰이는 반도체에 흡수되지 못한 채 투과되고, 높은 에너지의 광자는 흡수된 후 열에너지로 낭비되기 때문에 발생하는 이론적 한계효율 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 김홍곤 박사팀은 태양전지의 이론효율 한계를 뛰어넘을 수 있는 유-무기 하이브리드 탠덤 태양전지의 플랫폼 기술을 개발했다. 탠덤 태양전지는 광 흡수 영역이 서로 보완적인 두 개 이상의 광흡수 반도체를 수직으로 쌓아 태양에너지 중 투과되는 손실과 열에너지로 낭비되는 손실을 최소한으로 줄이는 기술이다. 기존의 무기탠덤 태양전지는 갈륨, 비소와 같은 값비싼 재료와 고가의 공정장비를 사용하여 제조되기 때문에 우주선과 같이 제한된 곳에 활용될 뿐 널리 상용화되지는 못했다. 연구팀이 개발한 기술은 유-무기 하이브리드 탠덤 구조를 고안하여 저비용, 고효율 태양전지를 가능하게 하는 플랫폼 기술이다. 유기물 반도체의 저렴한 장점과 무기물 반도체의 효율이 높은 장점을 하나의 소자 내에서 최대화하는 것이 핵심 아이디어였다. 연구팀은 이웃하는 단일 접합 태양전지들을 이어주는 계면층 개발과 소자 전체에서 전류 분포를 고르게 하는 전류매칭 기술에 주력했고, 그 결과 유-무기 하이브리드 구조의 탠덤 태양전지 분야에서는 세계 최고인 9.5%의 효율을 달성했다. 이번에 개발된 유-무기 하이브리드 탠덤 태양전지는 2.4 V에 달하는 높은 전압이 가장 큰 특징으로 이는 물분해를 통한 수소 생산에 활용되기에도 충분한 크기이다. 또, 세계 각국의 많은 연구자들이 다양한 종류의 단일 접합 태양전지 분야에서 광전변환효율 개선을 위해 노력하고 있는데, 이번에 확보된 플랫폼 기술을 적용하면 단일 접합 태양전지의 기술발전을 탠덤 태양전지의 고효율화에 바로 적용할 수 있다는 게 연구진의 설명이다. 이번 성과는 국가과학기술연구회(구 기초기술연구회) NAP(National Agenda Project, 국가 아젠다 해결형)사업 및 KIST의 기관고유사업의 결과다. KIST 광전하이브리드연구센터의 김홍곤, 이도권, 한승희 박사 연구팀의 태양전지 분야에서 축적된 원천기술과 성균관대학교 이준신 교수팀의 무기박막태양전지 기술, 그리고 서울대학교 김창순 교수팀의 계산과학이 어우러진 융합연구를 통해 이루어낸 성과라는 점에서도 의의가 크다. KIST 김홍곤 박사는 “개발된 탠덤 소자는 그 자체로 매우 높은 전압을 나타내기 때문에 모듈화(일반적으로 태양전지로부터 고전압을 얻기 위해 단일접합 태양전지 여러 개를 직렬 연결하는 것)에 따른 저항손실 없이도 물분해 등에 적용될 수 있다”면서 “다양한 단일접합 태양전지 기술이 발전함에 따라 탠덤화 플랫폼 기술의 수요도 증가할 것”이라고 말했다. 이번 연구 성과는 11월 21일 네이처 출판사에서 발행하는 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 온라인판에 "Triple-Junction Hybrid Tandem Solar Cells with Amorphous Silicon and Polymer-Fullerene Blends"의 제목으로 게재되었다. <참고 이미지 자료> 1. 연구내용 요약용 이미지 위: 유-무기 하이브리드 탠덤 태양전지 구조 아래: 탠덤 태양전지 고효율화를 위한 계산 결과 KIST 김홍곤 박사 KIST 이도권 박사

KIST, 탠덤 태양전지 효율 극대화 플랫폼 기술 개발 - 유기물 반도체의 값싼 장점, 무기물 반도체의 효율이 높은 장점 극대화 - 2.4V의 높은 전압을 이용하면 직접 물분해를 통해 수소 생산 가능 환경친화적이며 미래지향적인 에너지 생산방법으로 태양전지를 최우선적으로 생각할 수 있다. 세계적으로 태양전지 보급이 확대되고 있는데 효율이 개선된다면 태양에너지 활용 분야는 더 넓어질 수 있다. 하지만 실리콘 태양전지와 같은 단일 접합 태양전지는 이론적 한계효율(쇼클리-콰이저 한계？, Shockley-Queisser limit)을 넘어설 수 없는 것으로 여겨져 왔다. 이 한계를 돌파할 수 있는 기술이 바로 탠덤 (다중 접합) 태양전지다. *쇼클리-콰이저 한계 : 낮은 에너지의 광자는 태양전지로 쓰이는 반도체에 흡수되지 못한 채 투과되고, 높은 에너지의 광자는 흡수된 후 열에너지로 낭비되기 때문에 발생하는 이론적 한계효율 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 김홍곤 박사팀은 태양전지의 이론효율 한계를 뛰어넘을 수 있는 유-무기 하이브리드 탠덤 태양전지의 플랫폼 기술을 개발했다. 탠덤 태양전지는 광 흡수 영역이 서로 보완적인 두 개 이상의 광흡수 반도체를 수직으로 쌓아 태양에너지 중 투과되는 손실과 열에너지로 낭비되는 손실을 최소한으로 줄이는 기술이다. 기존의 무기탠덤 태양전지는 갈륨, 비소와 같은 값비싼 재료와 고가의 공정장비를 사용하여 제조되기 때문에 우주선과 같이 제한된 곳에 활용될 뿐 널리 상용화되지는 못했다. 연구팀이 개발한 기술은 유-무기 하이브리드 탠덤 구조를 고안하여 저비용, 고효율 태양전지를 가능하게 하는 플랫폼 기술이다. 유기물 반도체의 저렴한 장점과 무기물 반도체의 효율이 높은 장점을 하나의 소자 내에서 최대화하는 것이 핵심 아이디어였다. 연구팀은 이웃하는 단일 접합 태양전지들을 이어주는 계면층 개발과 소자 전체에서 전류 분포를 고르게 하는 전류매칭 기술에 주력했고, 그 결과 유-무기 하이브리드 구조의 탠덤 태양전지 분야에서는 세계 최고인 9.5%의 효율을 달성했다. 이번에 개발된 유-무기 하이브리드 탠덤 태양전지는 2.4 V에 달하는 높은 전압이 가장 큰 특징으로 이는 물분해를 통한 수소 생산에 활용되기에도 충분한 크기이다. 또, 세계 각국의 많은 연구자들이 다양한 종류의 단일 접합 태양전지 분야에서 광전변환효율 개선을 위해 노력하고 있는데, 이번에 확보된 플랫폼 기술을 적용하면 단일 접합 태양전지의 기술발전을 탠덤 태양전지의 고효율화에 바로 적용할 수 있다는 게 연구진의 설명이다. 이번 성과는 국가과학기술연구회(구 기초기술연구회) NAP(National Agenda Project, 국가 아젠다 해결형)사업 및 KIST의 기관고유사업의 결과다. KIST 광전하이브리드연구센터의 김홍곤, 이도권, 한승희 박사 연구팀의 태양전지 분야에서 축적된 원천기술과 성균관대학교 이준신 교수팀의 무기박막태양전지 기술, 그리고 서울대학교 김창순 교수팀의 계산과학이 어우러진 융합연구를 통해 이루어낸 성과라는 점에서도 의의가 크다. KIST 김홍곤 박사는 “개발된 탠덤 소자는 그 자체로 매우 높은 전압을 나타내기 때문에 모듈화(일반적으로 태양전지로부터 고전압을 얻기 위해 단일접합 태양전지 여러 개를 직렬 연결하는 것)에 따른 저항손실 없이도 물분해 등에 적용될 수 있다”면서 “다양한 단일접합 태양전지 기술이 발전함에 따라 탠덤화 플랫폼 기술의 수요도 증가할 것”이라고 말했다. 이번 연구 성과는 11월 21일 네이처 출판사에서 발행하는 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 온라인판에 "Triple-Junction Hybrid Tandem Solar Cells with Amorphous Silicon and Polymer-Fullerene Blends"의 제목으로 게재되었다. <참고 이미지 자료> 1. 연구내용 요약용 이미지 위: 유-무기 하이브리드 탠덤 태양전지 구조 아래: 탠덤 태양전지 고효율화를 위한 계산 결과 KIST 김홍곤 박사 KIST 이도권 박사

KIST, 흑린(黑燐) 소재기반 차세대 트랜지스터 개발 가능성 열어 - 차세대 반도체 물질인 흑린(black phosphorus)의 특성을 제어하여 고성능트랜지스터 개발 - 무기물 보호막을 적용해 안정적인 소자 특성 확보 다양한 전자 기계가 발달하면서 투명하면서도 휘어지는 성질을 가진 고성능의 반도체 개발에 대한 필요가 증가하고 있다. 그러나 현재 주로 사용되는 실리콘 소재의 반도체로는 이러한 반도체를 만들기 어려워 신소재에 대한 연구가 활발하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계면제어연구센터 최원국 박사, 송용원 박사 연구팀이 신소재인 흑린을 이용해 안정성과 성능이 높은 트랜지스터(transistor)를 개발했다. 흑린은 공기 중에서 반응속도가 너무 높아 불안정하다는 단점 때문에 트랜지스터로 만들기에 어려움이 많았다. 연구팀은 반응을 억제하기 위해 보호막을 씌워 안정성을 확보했다. 이렇게 개발된 트랜지스터는 안정적일 뿐 아니라 성능도 뛰어나 차세대 반도체 개발에 한층 가까워졌다는 평가이다. 그래핀은 2004년 발견된 이래, 실리콘을 대체할 차세대 반도체 재료로써 각광 받아왔지만 도체인 금속 성질이 더 우세하여 반도체에 적용하기에 어려운 점이 많았다. 이러한 단점을 보완하기 위해, 이황화몰리브덴 등의 재료가 트랜지스터로써 개발되었지만, 성능부분에서 한계가 있었다. 흑린(black phosphorus)은 인(phosphorus)과 원소는 같으나 모양과 성질이 다른 동소체로 그래핀과 마찬가지로 두께가 원자 수준으로 얇으며 원자가 층 구조인 물질이다. 이런 특성으로 인해 흑린은 기존 물질을 대체할 차세대 반도체 재료로 관심이 높다. 하지만 공기 중에서의 반응속도가 너무 높아 안정적이지 못해 반도체 소자를 제작하고 구동하는데 어려움이 많았다. 연구팀은 공기 중에서 흑린이 직접적으로 반응하는 것을 억제하기 위해, 흑린에 무기물인 얇은 산화알루미늄(Al2O3) 막을 보호층으로 감쌌다. 무기물 막은 만들어지는 과정에서 열이 발생하는데 정확한 분석을 위해 열로 인한 효과와 무기물 막으로 인한 효과를 분리하여 분석했다. 연구팀은 각각의 공정에서 저주파 잡음(low-frequency noise)을 비롯한 전기적 측정 및 분석을 수행했다.(그림 3). 그 결과 열로 인한 효과와 별도로, 저주파 잡음 수준이 산화알루미늄 보호막 증착을 통해 줄어드는 것을 확인하였다.(그림 4) ※ 저주파 잡음 분석 : 반도체 소자 내에서의 전하 이동 메커니즘 및 소자의 신뢰성을 평가할 수 있는 측정 및 분석 방법. 반도체 소자가 소형화 될수록 신호 대비 저주파 잡음 비율이 높아진다는 점으로 볼 때, 저주파 잡음 특성이 낮게 나타나면 소자가 성능이 좋아지고 소형화 및 집적화에 유리하다고 볼 수 있다. 또한 추가적으로 광학현미경 사진과 라만 분석을 통해 2개월 후에도 산화알루미늄막이 보호층으로 작동하여 흑린이 공기 중에도 안정적으로 존재할 수 있다는 것을 밝혔다.(그림 5) 이는 산화알루미늄 보호층을 적용한 흑린 트랜지스터 소자가 안정적이고 효과적으로 사용될 수 있음을 보여주는 것이다. ※ 라만 분석 : 물질 고유의 분자 진동수가 존재한다는 원리를 바탕으로 재료의 특성을 파악할 수 있는 분광법. 본 연구에서는 흑린의 존재 여부를 판단하는데 이용되었다. 이와 같이 개발된 흑린 트랜지스터는 향후 디스플레이용 박막 트랜지스터, CPU, 메모리 등의 반도체산업에 활용될 가능성이 있다. 박막 트랜지스터의 경우, 현재 상용화 단계인 저온폴리실리콘, 금속산화물 등의 재료에 비해 성능이 뛰어나며, 유연성과 투명성을 갖출 수 있다는 점에서 기대가 되는 물질이다. 하지만 대량생산을 위해서는 흑린 소재를 균일하고 대면적으로 합성할 수 있는 기술의 개발이 추후 보완되어야 한다. 본 연구에서는 위와 같은 응용분야에서 흑린이 트랜지스터로써 안정적으로 동작할 수 있다는 것을 밝히고, 기본적인 소자 특성을 평가하고 개선하였다는데 그 의의가 있다. 제 1저자인 나준홍 박사는 “이번 연구결과를 통해 그동안 논란이 되어왔던 흑린 소재의 트랜지스터가 안정적으로 구동된다는 것을 확인할 수 있었다”며, “나아가서 이번 연구는 흑린 내에서의 전하 이동 메커니즘을 이해하는데도 큰 도움이 될 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계면제어연구센터 최원국 박사, 송용원 박사 연구팀에서 진행된 연구로, 무기물 보호층을 적용하여 수 나노미터(nanometer) 두께의 흑린을 대기 중에서도 안정적으로 구동할 수 있는 트랜지스터로써 탈바꿈 시켰을 뿐만 아니라, 저주파 잡음 측정을 통하여 흑린 트랜지스터의 동작 원리를 분석하고 성능이 개선된 것을 확인하였다. 이번 연구 성과는 ACS Nano에 “Few-Layer Black Phosphorus Field-Effect Transistors with Reduced Current Fluctuation” (DOI: 10.1021/nn5052376)라는 제목으로 11월 4일(화)에 온라인 게재되었다. 이번 연구는 KIST의 기관고유연구사업 지원으로 수행되었다. ○ 연구진: ■ Dr. 송용원, 책임연구원, 계면제어연구센터, KIST ■ Dr. 최원국, 책임연구원, 계면제어연구센터, KIST ■ Dr. 나준홍, 박사후연구원, 계면제어연구센터, KIST ○ 관련자료 <그림 1> 세 개의 흑린 층을 표현한 모식도 <그림 2> 트랜지스터로 제작된 흑린의 광학 현미경 사진(왼쪽)과 3차원 현미경 사진(오른쪽) <그림 3> 열처리와 산화알루미늄 보호막 증착을 통한 트랜지스터 소자 변수 개선 확인 그래프 <그림 4> 산화알루미늄 보호층 효과로 인한 흑린 트랜지스터의 저주파 잡음 특성 개선 확인 그래프 <그림 5> 광학현미경 사진과 라만 분석을 통해 안정성 검사를 실시한 결과, 2개월 후에도 흑린이 공기 중에서 존재할 수 있다는 것을 보여주는 그래프

KIST, 흑린(黑燐) 소재기반 차세대 트랜지스터 개발 가능성 열어 - 차세대 반도체 물질인 흑린(black phosphorus)의 특성을 제어하여 고성능트랜지스터 개발 - 무기물 보호막을 적용해 안정적인 소자 특성 확보 다양한 전자 기계가 발달하면서 투명하면서도 휘어지는 성질을 가진 고성능의 반도체 개발에 대한 필요가 증가하고 있다. 그러나 현재 주로 사용되는 실리콘 소재의 반도체로는 이러한 반도체를 만들기 어려워 신소재에 대한 연구가 활발하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계면제어연구센터 최원국 박사, 송용원 박사 연구팀이 신소재인 흑린을 이용해 안정성과 성능이 높은 트랜지스터(transistor)를 개발했다. 흑린은 공기 중에서 반응속도가 너무 높아 불안정하다는 단점 때문에 트랜지스터로 만들기에 어려움이 많았다. 연구팀은 반응을 억제하기 위해 보호막을 씌워 안정성을 확보했다. 이렇게 개발된 트랜지스터는 안정적일 뿐 아니라 성능도 뛰어나 차세대 반도체 개발에 한층 가까워졌다는 평가이다. 그래핀은 2004년 발견된 이래, 실리콘을 대체할 차세대 반도체 재료로써 각광 받아왔지만 도체인 금속 성질이 더 우세하여 반도체에 적용하기에 어려운 점이 많았다. 이러한 단점을 보완하기 위해, 이황화몰리브덴 등의 재료가 트랜지스터로써 개발되었지만, 성능부분에서 한계가 있었다. 흑린(black phosphorus)은 인(phosphorus)과 원소는 같으나 모양과 성질이 다른 동소체로 그래핀과 마찬가지로 두께가 원자 수준으로 얇으며 원자가 층 구조인 물질이다. 이런 특성으로 인해 흑린은 기존 물질을 대체할 차세대 반도체 재료로 관심이 높다. 하지만 공기 중에서의 반응속도가 너무 높아 안정적이지 못해 반도체 소자를 제작하고 구동하는데 어려움이 많았다. 연구팀은 공기 중에서 흑린이 직접적으로 반응하는 것을 억제하기 위해, 흑린에 무기물인 얇은 산화알루미늄(Al2O3) 막을 보호층으로 감쌌다. 무기물 막은 만들어지는 과정에서 열이 발생하는데 정확한 분석을 위해 열로 인한 효과와 무기물 막으로 인한 효과를 분리하여 분석했다. 연구팀은 각각의 공정에서 저주파 잡음(low-frequency noise)을 비롯한 전기적 측정 및 분석을 수행했다.(그림 3). 그 결과 열로 인한 효과와 별도로, 저주파 잡음 수준이 산화알루미늄 보호막 증착을 통해 줄어드는 것을 확인하였다.(그림 4) ※ 저주파 잡음 분석 : 반도체 소자 내에서의 전하 이동 메커니즘 및 소자의 신뢰성을 평가할 수 있는 측정 및 분석 방법. 반도체 소자가 소형화 될수록 신호 대비 저주파 잡음 비율이 높아진다는 점으로 볼 때, 저주파 잡음 특성이 낮게 나타나면 소자가 성능이 좋아지고 소형화 및 집적화에 유리하다고 볼 수 있다. 또한 추가적으로 광학현미경 사진과 라만 분석을 통해 2개월 후에도 산화알루미늄막이 보호층으로 작동하여 흑린이 공기 중에도 안정적으로 존재할 수 있다는 것을 밝혔다.(그림 5) 이는 산화알루미늄 보호층을 적용한 흑린 트랜지스터 소자가 안정적이고 효과적으로 사용될 수 있음을 보여주는 것이다. ※ 라만 분석 : 물질 고유의 분자 진동수가 존재한다는 원리를 바탕으로 재료의 특성을 파악할 수 있는 분광법. 본 연구에서는 흑린의 존재 여부를 판단하는데 이용되었다. 이와 같이 개발된 흑린 트랜지스터는 향후 디스플레이용 박막 트랜지스터, CPU, 메모리 등의 반도체산업에 활용될 가능성이 있다. 박막 트랜지스터의 경우, 현재 상용화 단계인 저온폴리실리콘, 금속산화물 등의 재료에 비해 성능이 뛰어나며, 유연성과 투명성을 갖출 수 있다는 점에서 기대가 되는 물질이다. 하지만 대량생산을 위해서는 흑린 소재를 균일하고 대면적으로 합성할 수 있는 기술의 개발이 추후 보완되어야 한다. 본 연구에서는 위와 같은 응용분야에서 흑린이 트랜지스터로써 안정적으로 동작할 수 있다는 것을 밝히고, 기본적인 소자 특성을 평가하고 개선하였다는데 그 의의가 있다. 제 1저자인 나준홍 박사는 “이번 연구결과를 통해 그동안 논란이 되어왔던 흑린 소재의 트랜지스터가 안정적으로 구동된다는 것을 확인할 수 있었다”며, “나아가서 이번 연구는 흑린 내에서의 전하 이동 메커니즘을 이해하는데도 큰 도움이 될 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계면제어연구센터 최원국 박사, 송용원 박사 연구팀에서 진행된 연구로, 무기물 보호층을 적용하여 수 나노미터(nanometer) 두께의 흑린을 대기 중에서도 안정적으로 구동할 수 있는 트랜지스터로써 탈바꿈 시켰을 뿐만 아니라, 저주파 잡음 측정을 통하여 흑린 트랜지스터의 동작 원리를 분석하고 성능이 개선된 것을 확인하였다. 이번 연구 성과는 ACS Nano에 “Few-Layer Black Phosphorus Field-Effect Transistors with Reduced Current Fluctuation” (DOI: 10.1021/nn5052376)라는 제목으로 11월 4일(화)에 온라인 게재되었다. 이번 연구는 KIST의 기관고유연구사업 지원으로 수행되었다. ○ 연구진: ■ Dr. 송용원, 책임연구원, 계면제어연구센터, KIST ■ Dr. 최원국, 책임연구원, 계면제어연구센터, KIST ■ Dr. 나준홍, 박사후연구원, 계면제어연구센터, KIST ○ 관련자료 <그림 1> 세 개의 흑린 층을 표현한 모식도 <그림 2> 트랜지스터로 제작된 흑린의 광학 현미경 사진(왼쪽)과 3차원 현미경 사진(오른쪽) <그림 3> 열처리와 산화알루미늄 보호막 증착을 통한 트랜지스터 소자 변수 개선 확인 그래프 <그림 4> 산화알루미늄 보호층 효과로 인한 흑린 트랜지스터의 저주파 잡음 특성 개선 확인 그래프 <그림 5> 광학현미경 사진과 라만 분석을 통해 안정성 검사를 실시한 결과, 2개월 후에도 흑린이 공기 중에서 존재할 수 있다는 것을 보여주는 그래프

KIST, 흑린(黑燐) 소재기반 차세대 트랜지스터 개발 가능성 열어 - 차세대 반도체 물질인 흑린(black phosphorus)의 특성을 제어하여 고성능트랜지스터 개발 - 무기물 보호막을 적용해 안정적인 소자 특성 확보 다양한 전자 기계가 발달하면서 투명하면서도 휘어지는 성질을 가진 고성능의 반도체 개발에 대한 필요가 증가하고 있다. 그러나 현재 주로 사용되는 실리콘 소재의 반도체로는 이러한 반도체를 만들기 어려워 신소재에 대한 연구가 활발하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계면제어연구센터 최원국 박사, 송용원 박사 연구팀이 신소재인 흑린을 이용해 안정성과 성능이 높은 트랜지스터(transistor)를 개발했다. 흑린은 공기 중에서 반응속도가 너무 높아 불안정하다는 단점 때문에 트랜지스터로 만들기에 어려움이 많았다. 연구팀은 반응을 억제하기 위해 보호막을 씌워 안정성을 확보했다. 이렇게 개발된 트랜지스터는 안정적일 뿐 아니라 성능도 뛰어나 차세대 반도체 개발에 한층 가까워졌다는 평가이다. 그래핀은 2004년 발견된 이래, 실리콘을 대체할 차세대 반도체 재료로써 각광 받아왔지만 도체인 금속 성질이 더 우세하여 반도체에 적용하기에 어려운 점이 많았다. 이러한 단점을 보완하기 위해, 이황화몰리브덴 등의 재료가 트랜지스터로써 개발되었지만, 성능부분에서 한계가 있었다. 흑린(black phosphorus)은 인(phosphorus)과 원소는 같으나 모양과 성질이 다른 동소체로 그래핀과 마찬가지로 두께가 원자 수준으로 얇으며 원자가 층 구조인 물질이다. 이런 특성으로 인해 흑린은 기존 물질을 대체할 차세대 반도체 재료로 관심이 높다. 하지만 공기 중에서의 반응속도가 너무 높아 안정적이지 못해 반도체 소자를 제작하고 구동하는데 어려움이 많았다. 연구팀은 공기 중에서 흑린이 직접적으로 반응하는 것을 억제하기 위해, 흑린에 무기물인 얇은 산화알루미늄(Al2O3) 막을 보호층으로 감쌌다. 무기물 막은 만들어지는 과정에서 열이 발생하는데 정확한 분석을 위해 열로 인한 효과와 무기물 막으로 인한 효과를 분리하여 분석했다. 연구팀은 각각의 공정에서 저주파 잡음(low-frequency noise)을 비롯한 전기적 측정 및 분석을 수행했다.(그림 3). 그 결과 열로 인한 효과와 별도로, 저주파 잡음 수준이 산화알루미늄 보호막 증착을 통해 줄어드는 것을 확인하였다.(그림 4) ※ 저주파 잡음 분석 : 반도체 소자 내에서의 전하 이동 메커니즘 및 소자의 신뢰성을 평가할 수 있는 측정 및 분석 방법. 반도체 소자가 소형화 될수록 신호 대비 저주파 잡음 비율이 높아진다는 점으로 볼 때, 저주파 잡음 특성이 낮게 나타나면 소자가 성능이 좋아지고 소형화 및 집적화에 유리하다고 볼 수 있다. 또한 추가적으로 광학현미경 사진과 라만 분석을 통해 2개월 후에도 산화알루미늄막이 보호층으로 작동하여 흑린이 공기 중에도 안정적으로 존재할 수 있다는 것을 밝혔다.(그림 5) 이는 산화알루미늄 보호층을 적용한 흑린 트랜지스터 소자가 안정적이고 효과적으로 사용될 수 있음을 보여주는 것이다. ※ 라만 분석 : 물질 고유의 분자 진동수가 존재한다는 원리를 바탕으로 재료의 특성을 파악할 수 있는 분광법. 본 연구에서는 흑린의 존재 여부를 판단하는데 이용되었다. 이와 같이 개발된 흑린 트랜지스터는 향후 디스플레이용 박막 트랜지스터, CPU, 메모리 등의 반도체산업에 활용될 가능성이 있다. 박막 트랜지스터의 경우, 현재 상용화 단계인 저온폴리실리콘, 금속산화물 등의 재료에 비해 성능이 뛰어나며, 유연성과 투명성을 갖출 수 있다는 점에서 기대가 되는 물질이다. 하지만 대량생산을 위해서는 흑린 소재를 균일하고 대면적으로 합성할 수 있는 기술의 개발이 추후 보완되어야 한다. 본 연구에서는 위와 같은 응용분야에서 흑린이 트랜지스터로써 안정적으로 동작할 수 있다는 것을 밝히고, 기본적인 소자 특성을 평가하고 개선하였다는데 그 의의가 있다. 제 1저자인 나준홍 박사는 “이번 연구결과를 통해 그동안 논란이 되어왔던 흑린 소재의 트랜지스터가 안정적으로 구동된다는 것을 확인할 수 있었다”며, “나아가서 이번 연구는 흑린 내에서의 전하 이동 메커니즘을 이해하는데도 큰 도움이 될 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계면제어연구센터 최원국 박사, 송용원 박사 연구팀에서 진행된 연구로, 무기물 보호층을 적용하여 수 나노미터(nanometer) 두께의 흑린을 대기 중에서도 안정적으로 구동할 수 있는 트랜지스터로써 탈바꿈 시켰을 뿐만 아니라, 저주파 잡음 측정을 통하여 흑린 트랜지스터의 동작 원리를 분석하고 성능이 개선된 것을 확인하였다. 이번 연구 성과는 ACS Nano에 “Few-Layer Black Phosphorus Field-Effect Transistors with Reduced Current Fluctuation” (DOI: 10.1021/nn5052376)라는 제목으로 11월 4일(화)에 온라인 게재되었다. 이번 연구는 KIST의 기관고유연구사업 지원으로 수행되었다. ○ 연구진: ■ Dr. 송용원, 책임연구원, 계면제어연구센터, KIST ■ Dr. 최원국, 책임연구원, 계면제어연구센터, KIST ■ Dr. 나준홍, 박사후연구원, 계면제어연구센터, KIST ○ 관련자료 <그림 1> 세 개의 흑린 층을 표현한 모식도 <그림 2> 트랜지스터로 제작된 흑린의 광학 현미경 사진(왼쪽)과 3차원 현미경 사진(오른쪽) <그림 3> 열처리와 산화알루미늄 보호막 증착을 통한 트랜지스터 소자 변수 개선 확인 그래프 <그림 4> 산화알루미늄 보호층 효과로 인한 흑린 트랜지스터의 저주파 잡음 특성 개선 확인 그래프 <그림 5> 광학현미경 사진과 라만 분석을 통해 안정성 검사를 실시한 결과, 2개월 후에도 흑린이 공기 중에서 존재할 수 있다는 것을 보여주는 그래프

KIST, 흑린(黑燐) 소재기반 차세대 트랜지스터 개발 가능성 열어 - 차세대 반도체 물질인 흑린(black phosphorus)의 특성을 제어하여 고성능트랜지스터 개발 - 무기물 보호막을 적용해 안정적인 소자 특성 확보 다양한 전자 기계가 발달하면서 투명하면서도 휘어지는 성질을 가진 고성능의 반도체 개발에 대한 필요가 증가하고 있다. 그러나 현재 주로 사용되는 실리콘 소재의 반도체로는 이러한 반도체를 만들기 어려워 신소재에 대한 연구가 활발하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계면제어연구센터 최원국 박사, 송용원 박사 연구팀이 신소재인 흑린을 이용해 안정성과 성능이 높은 트랜지스터(transistor)를 개발했다. 흑린은 공기 중에서 반응속도가 너무 높아 불안정하다는 단점 때문에 트랜지스터로 만들기에 어려움이 많았다. 연구팀은 반응을 억제하기 위해 보호막을 씌워 안정성을 확보했다. 이렇게 개발된 트랜지스터는 안정적일 뿐 아니라 성능도 뛰어나 차세대 반도체 개발에 한층 가까워졌다는 평가이다. 그래핀은 2004년 발견된 이래, 실리콘을 대체할 차세대 반도체 재료로써 각광 받아왔지만 도체인 금속 성질이 더 우세하여 반도체에 적용하기에 어려운 점이 많았다. 이러한 단점을 보완하기 위해, 이황화몰리브덴 등의 재료가 트랜지스터로써 개발되었지만, 성능부분에서 한계가 있었다. 흑린(black phosphorus)은 인(phosphorus)과 원소는 같으나 모양과 성질이 다른 동소체로 그래핀과 마찬가지로 두께가 원자 수준으로 얇으며 원자가 층 구조인 물질이다. 이런 특성으로 인해 흑린은 기존 물질을 대체할 차세대 반도체 재료로 관심이 높다. 하지만 공기 중에서의 반응속도가 너무 높아 안정적이지 못해 반도체 소자를 제작하고 구동하는데 어려움이 많았다. 연구팀은 공기 중에서 흑린이 직접적으로 반응하는 것을 억제하기 위해, 흑린에 무기물인 얇은 산화알루미늄(Al2O3) 막을 보호층으로 감쌌다. 무기물 막은 만들어지는 과정에서 열이 발생하는데 정확한 분석을 위해 열로 인한 효과와 무기물 막으로 인한 효과를 분리하여 분석했다. 연구팀은 각각의 공정에서 저주파 잡음(low-frequency noise)을 비롯한 전기적 측정 및 분석을 수행했다.(그림 3). 그 결과 열로 인한 효과와 별도로, 저주파 잡음 수준이 산화알루미늄 보호막 증착을 통해 줄어드는 것을 확인하였다.(그림 4) ※ 저주파 잡음 분석 : 반도체 소자 내에서의 전하 이동 메커니즘 및 소자의 신뢰성을 평가할 수 있는 측정 및 분석 방법. 반도체 소자가 소형화 될수록 신호 대비 저주파 잡음 비율이 높아진다는 점으로 볼 때, 저주파 잡음 특성이 낮게 나타나면 소자가 성능이 좋아지고 소형화 및 집적화에 유리하다고 볼 수 있다. 또한 추가적으로 광학현미경 사진과 라만 분석을 통해 2개월 후에도 산화알루미늄막이 보호층으로 작동하여 흑린이 공기 중에도 안정적으로 존재할 수 있다는 것을 밝혔다.(그림 5) 이는 산화알루미늄 보호층을 적용한 흑린 트랜지스터 소자가 안정적이고 효과적으로 사용될 수 있음을 보여주는 것이다. ※ 라만 분석 : 물질 고유의 분자 진동수가 존재한다는 원리를 바탕으로 재료의 특성을 파악할 수 있는 분광법. 본 연구에서는 흑린의 존재 여부를 판단하는데 이용되었다. 이와 같이 개발된 흑린 트랜지스터는 향후 디스플레이용 박막 트랜지스터, CPU, 메모리 등의 반도체산업에 활용될 가능성이 있다. 박막 트랜지스터의 경우, 현재 상용화 단계인 저온폴리실리콘, 금속산화물 등의 재료에 비해 성능이 뛰어나며, 유연성과 투명성을 갖출 수 있다는 점에서 기대가 되는 물질이다. 하지만 대량생산을 위해서는 흑린 소재를 균일하고 대면적으로 합성할 수 있는 기술의 개발이 추후 보완되어야 한다. 본 연구에서는 위와 같은 응용분야에서 흑린이 트랜지스터로써 안정적으로 동작할 수 있다는 것을 밝히고, 기본적인 소자 특성을 평가하고 개선하였다는데 그 의의가 있다. 제 1저자인 나준홍 박사는 “이번 연구결과를 통해 그동안 논란이 되어왔던 흑린 소재의 트랜지스터가 안정적으로 구동된다는 것을 확인할 수 있었다”며, “나아가서 이번 연구는 흑린 내에서의 전하 이동 메커니즘을 이해하는데도 큰 도움이 될 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계면제어연구센터 최원국 박사, 송용원 박사 연구팀에서 진행된 연구로, 무기물 보호층을 적용하여 수 나노미터(nanometer) 두께의 흑린을 대기 중에서도 안정적으로 구동할 수 있는 트랜지스터로써 탈바꿈 시켰을 뿐만 아니라, 저주파 잡음 측정을 통하여 흑린 트랜지스터의 동작 원리를 분석하고 성능이 개선된 것을 확인하였다. 이번 연구 성과는 ACS Nano에 “Few-Layer Black Phosphorus Field-Effect Transistors with Reduced Current Fluctuation” (DOI: 10.1021/nn5052376)라는 제목으로 11월 4일(화)에 온라인 게재되었다. 이번 연구는 KIST의 기관고유연구사업 지원으로 수행되었다. ○ 연구진: ■ Dr. 송용원, 책임연구원, 계면제어연구센터, KIST ■ Dr. 최원국, 책임연구원, 계면제어연구센터, KIST ■ Dr. 나준홍, 박사후연구원, 계면제어연구센터, KIST ○ 관련자료 <그림 1> 세 개의 흑린 층을 표현한 모식도 <그림 2> 트랜지스터로 제작된 흑린의 광학 현미경 사진(왼쪽)과 3차원 현미경 사진(오른쪽) <그림 3> 열처리와 산화알루미늄 보호막 증착을 통한 트랜지스터 소자 변수 개선 확인 그래프 <그림 4> 산화알루미늄 보호층 효과로 인한 흑린 트랜지스터의 저주파 잡음 특성 개선 확인 그래프 <그림 5> 광학현미경 사진과 라만 분석을 통해 안정성 검사를 실시한 결과, 2개월 후에도 흑린이 공기 중에서 존재할 수 있다는 것을 보여주는 그래프

KIST, 흑린(黑燐) 소재기반 차세대 트랜지스터 개발 가능성 열어 - 차세대 반도체 물질인 흑린(black phosphorus)의 특성을 제어하여 고성능트랜지스터 개발 - 무기물 보호막을 적용해 안정적인 소자 특성 확보 다양한 전자 기계가 발달하면서 투명하면서도 휘어지는 성질을 가진 고성능의 반도체 개발에 대한 필요가 증가하고 있다. 그러나 현재 주로 사용되는 실리콘 소재의 반도체로는 이러한 반도체를 만들기 어려워 신소재에 대한 연구가 활발하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계면제어연구센터 최원국 박사, 송용원 박사 연구팀이 신소재인 흑린을 이용해 안정성과 성능이 높은 트랜지스터(transistor)를 개발했다. 흑린은 공기 중에서 반응속도가 너무 높아 불안정하다는 단점 때문에 트랜지스터로 만들기에 어려움이 많았다. 연구팀은 반응을 억제하기 위해 보호막을 씌워 안정성을 확보했다. 이렇게 개발된 트랜지스터는 안정적일 뿐 아니라 성능도 뛰어나 차세대 반도체 개발에 한층 가까워졌다는 평가이다. 그래핀은 2004년 발견된 이래, 실리콘을 대체할 차세대 반도체 재료로써 각광 받아왔지만 도체인 금속 성질이 더 우세하여 반도체에 적용하기에 어려운 점이 많았다. 이러한 단점을 보완하기 위해, 이황화몰리브덴 등의 재료가 트랜지스터로써 개발되었지만, 성능부분에서 한계가 있었다. 흑린(black phosphorus)은 인(phosphorus)과 원소는 같으나 모양과 성질이 다른 동소체로 그래핀과 마찬가지로 두께가 원자 수준으로 얇으며 원자가 층 구조인 물질이다. 이런 특성으로 인해 흑린은 기존 물질을 대체할 차세대 반도체 재료로 관심이 높다. 하지만 공기 중에서의 반응속도가 너무 높아 안정적이지 못해 반도체 소자를 제작하고 구동하는데 어려움이 많았다. 연구팀은 공기 중에서 흑린이 직접적으로 반응하는 것을 억제하기 위해, 흑린에 무기물인 얇은 산화알루미늄(Al2O3) 막을 보호층으로 감쌌다. 무기물 막은 만들어지는 과정에서 열이 발생하는데 정확한 분석을 위해 열로 인한 효과와 무기물 막으로 인한 효과를 분리하여 분석했다. 연구팀은 각각의 공정에서 저주파 잡음(low-frequency noise)을 비롯한 전기적 측정 및 분석을 수행했다.(그림 3). 그 결과 열로 인한 효과와 별도로, 저주파 잡음 수준이 산화알루미늄 보호막 증착을 통해 줄어드는 것을 확인하였다.(그림 4) ※ 저주파 잡음 분석 : 반도체 소자 내에서의 전하 이동 메커니즘 및 소자의 신뢰성을 평가할 수 있는 측정 및 분석 방법. 반도체 소자가 소형화 될수록 신호 대비 저주파 잡음 비율이 높아진다는 점으로 볼 때, 저주파 잡음 특성이 낮게 나타나면 소자가 성능이 좋아지고 소형화 및 집적화에 유리하다고 볼 수 있다. 또한 추가적으로 광학현미경 사진과 라만 분석을 통해 2개월 후에도 산화알루미늄막이 보호층으로 작동하여 흑린이 공기 중에도 안정적으로 존재할 수 있다는 것을 밝혔다.(그림 5) 이는 산화알루미늄 보호층을 적용한 흑린 트랜지스터 소자가 안정적이고 효과적으로 사용될 수 있음을 보여주는 것이다. ※ 라만 분석 : 물질 고유의 분자 진동수가 존재한다는 원리를 바탕으로 재료의 특성을 파악할 수 있는 분광법. 본 연구에서는 흑린의 존재 여부를 판단하는데 이용되었다. 이와 같이 개발된 흑린 트랜지스터는 향후 디스플레이용 박막 트랜지스터, CPU, 메모리 등의 반도체산업에 활용될 가능성이 있다. 박막 트랜지스터의 경우, 현재 상용화 단계인 저온폴리실리콘, 금속산화물 등의 재료에 비해 성능이 뛰어나며, 유연성과 투명성을 갖출 수 있다는 점에서 기대가 되는 물질이다. 하지만 대량생산을 위해서는 흑린 소재를 균일하고 대면적으로 합성할 수 있는 기술의 개발이 추후 보완되어야 한다. 본 연구에서는 위와 같은 응용분야에서 흑린이 트랜지스터로써 안정적으로 동작할 수 있다는 것을 밝히고, 기본적인 소자 특성을 평가하고 개선하였다는데 그 의의가 있다. 제 1저자인 나준홍 박사는 “이번 연구결과를 통해 그동안 논란이 되어왔던 흑린 소재의 트랜지스터가 안정적으로 구동된다는 것을 확인할 수 있었다”며, “나아가서 이번 연구는 흑린 내에서의 전하 이동 메커니즘을 이해하는데도 큰 도움이 될 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계면제어연구센터 최원국 박사, 송용원 박사 연구팀에서 진행된 연구로, 무기물 보호층을 적용하여 수 나노미터(nanometer) 두께의 흑린을 대기 중에서도 안정적으로 구동할 수 있는 트랜지스터로써 탈바꿈 시켰을 뿐만 아니라, 저주파 잡음 측정을 통하여 흑린 트랜지스터의 동작 원리를 분석하고 성능이 개선된 것을 확인하였다. 이번 연구 성과는 ACS Nano에 “Few-Layer Black Phosphorus Field-Effect Transistors with Reduced Current Fluctuation” (DOI: 10.1021/nn5052376)라는 제목으로 11월 4일(화)에 온라인 게재되었다. 이번 연구는 KIST의 기관고유연구사업 지원으로 수행되었다. ○ 연구진: ■ Dr. 송용원, 책임연구원, 계면제어연구센터, KIST ■ Dr. 최원국, 책임연구원, 계면제어연구센터, KIST ■ Dr. 나준홍, 박사후연구원, 계면제어연구센터, KIST ○ 관련자료 <그림 1> 세 개의 흑린 층을 표현한 모식도 <그림 2> 트랜지스터로 제작된 흑린의 광학 현미경 사진(왼쪽)과 3차원 현미경 사진(오른쪽) <그림 3> 열처리와 산화알루미늄 보호막 증착을 통한 트랜지스터 소자 변수 개선 확인 그래프 <그림 4> 산화알루미늄 보호층 효과로 인한 흑린 트랜지스터의 저주파 잡음 특성 개선 확인 그래프 <그림 5> 광학현미경 사진과 라만 분석을 통해 안정성 검사를 실시한 결과, 2개월 후에도 흑린이 공기 중에서 존재할 수 있다는 것을 보여주는 그래프

KIST, 흑린(黑燐) 소재기반 차세대 트랜지스터 개발 가능성 열어 - 차세대 반도체 물질인 흑린(black phosphorus)의 특성을 제어하여 고성능트랜지스터 개발 - 무기물 보호막을 적용해 안정적인 소자 특성 확보 다양한 전자 기계가 발달하면서 투명하면서도 휘어지는 성질을 가진 고성능의 반도체 개발에 대한 필요가 증가하고 있다. 그러나 현재 주로 사용되는 실리콘 소재의 반도체로는 이러한 반도체를 만들기 어려워 신소재에 대한 연구가 활발하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계면제어연구센터 최원국 박사, 송용원 박사 연구팀이 신소재인 흑린을 이용해 안정성과 성능이 높은 트랜지스터(transistor)를 개발했다. 흑린은 공기 중에서 반응속도가 너무 높아 불안정하다는 단점 때문에 트랜지스터로 만들기에 어려움이 많았다. 연구팀은 반응을 억제하기 위해 보호막을 씌워 안정성을 확보했다. 이렇게 개발된 트랜지스터는 안정적일 뿐 아니라 성능도 뛰어나 차세대 반도체 개발에 한층 가까워졌다는 평가이다. 그래핀은 2004년 발견된 이래, 실리콘을 대체할 차세대 반도체 재료로써 각광 받아왔지만 도체인 금속 성질이 더 우세하여 반도체에 적용하기에 어려운 점이 많았다. 이러한 단점을 보완하기 위해, 이황화몰리브덴 등의 재료가 트랜지스터로써 개발되었지만, 성능부분에서 한계가 있었다. 흑린(black phosphorus)은 인(phosphorus)과 원소는 같으나 모양과 성질이 다른 동소체로 그래핀과 마찬가지로 두께가 원자 수준으로 얇으며 원자가 층 구조인 물질이다. 이런 특성으로 인해 흑린은 기존 물질을 대체할 차세대 반도체 재료로 관심이 높다. 하지만 공기 중에서의 반응속도가 너무 높아 안정적이지 못해 반도체 소자를 제작하고 구동하는데 어려움이 많았다. 연구팀은 공기 중에서 흑린이 직접적으로 반응하는 것을 억제하기 위해, 흑린에 무기물인 얇은 산화알루미늄(Al2O3) 막을 보호층으로 감쌌다. 무기물 막은 만들어지는 과정에서 열이 발생하는데 정확한 분석을 위해 열로 인한 효과와 무기물 막으로 인한 효과를 분리하여 분석했다. 연구팀은 각각의 공정에서 저주파 잡음(low-frequency noise)을 비롯한 전기적 측정 및 분석을 수행했다.(그림 3). 그 결과 열로 인한 효과와 별도로, 저주파 잡음 수준이 산화알루미늄 보호막 증착을 통해 줄어드는 것을 확인하였다.(그림 4) ※ 저주파 잡음 분석 : 반도체 소자 내에서의 전하 이동 메커니즘 및 소자의 신뢰성을 평가할 수 있는 측정 및 분석 방법. 반도체 소자가 소형화 될수록 신호 대비 저주파 잡음 비율이 높아진다는 점으로 볼 때, 저주파 잡음 특성이 낮게 나타나면 소자가 성능이 좋아지고 소형화 및 집적화에 유리하다고 볼 수 있다. 또한 추가적으로 광학현미경 사진과 라만 분석을 통해 2개월 후에도 산화알루미늄막이 보호층으로 작동하여 흑린이 공기 중에도 안정적으로 존재할 수 있다는 것을 밝혔다.(그림 5) 이는 산화알루미늄 보호층을 적용한 흑린 트랜지스터 소자가 안정적이고 효과적으로 사용될 수 있음을 보여주는 것이다. ※ 라만 분석 : 물질 고유의 분자 진동수가 존재한다는 원리를 바탕으로 재료의 특성을 파악할 수 있는 분광법. 본 연구에서는 흑린의 존재 여부를 판단하는데 이용되었다. 이와 같이 개발된 흑린 트랜지스터는 향후 디스플레이용 박막 트랜지스터, CPU, 메모리 등의 반도체산업에 활용될 가능성이 있다. 박막 트랜지스터의 경우, 현재 상용화 단계인 저온폴리실리콘, 금속산화물 등의 재료에 비해 성능이 뛰어나며, 유연성과 투명성을 갖출 수 있다는 점에서 기대가 되는 물질이다. 하지만 대량생산을 위해서는 흑린 소재를 균일하고 대면적으로 합성할 수 있는 기술의 개발이 추후 보완되어야 한다. 본 연구에서는 위와 같은 응용분야에서 흑린이 트랜지스터로써 안정적으로 동작할 수 있다는 것을 밝히고, 기본적인 소자 특성을 평가하고 개선하였다는데 그 의의가 있다. 제 1저자인 나준홍 박사는 “이번 연구결과를 통해 그동안 논란이 되어왔던 흑린 소재의 트랜지스터가 안정적으로 구동된다는 것을 확인할 수 있었다”며, “나아가서 이번 연구는 흑린 내에서의 전하 이동 메커니즘을 이해하는데도 큰 도움이 될 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계면제어연구센터 최원국 박사, 송용원 박사 연구팀에서 진행된 연구로, 무기물 보호층을 적용하여 수 나노미터(nanometer) 두께의 흑린을 대기 중에서도 안정적으로 구동할 수 있는 트랜지스터로써 탈바꿈 시켰을 뿐만 아니라, 저주파 잡음 측정을 통하여 흑린 트랜지스터의 동작 원리를 분석하고 성능이 개선된 것을 확인하였다. 이번 연구 성과는 ACS Nano에 “Few-Layer Black Phosphorus Field-Effect Transistors with Reduced Current Fluctuation” (DOI: 10.1021/nn5052376)라는 제목으로 11월 4일(화)에 온라인 게재되었다. 이번 연구는 KIST의 기관고유연구사업 지원으로 수행되었다. ○ 연구진: ■ Dr. 송용원, 책임연구원, 계면제어연구센터, KIST ■ Dr. 최원국, 책임연구원, 계면제어연구센터, KIST ■ Dr. 나준홍, 박사후연구원, 계면제어연구센터, KIST ○ 관련자료 <그림 1> 세 개의 흑린 층을 표현한 모식도 <그림 2> 트랜지스터로 제작된 흑린의 광학 현미경 사진(왼쪽)과 3차원 현미경 사진(오른쪽) <그림 3> 열처리와 산화알루미늄 보호막 증착을 통한 트랜지스터 소자 변수 개선 확인 그래프 <그림 4> 산화알루미늄 보호층 효과로 인한 흑린 트랜지스터의 저주파 잡음 특성 개선 확인 그래프 <그림 5> 광학현미경 사진과 라만 분석을 통해 안정성 검사를 실시한 결과, 2개월 후에도 흑린이 공기 중에서 존재할 수 있다는 것을 보여주는 그래프

KIST, 흑린(黑燐) 소재기반 차세대 트랜지스터 개발 가능성 열어 - 차세대 반도체 물질인 흑린(black phosphorus)의 특성을 제어하여 고성능트랜지스터 개발 - 무기물 보호막을 적용해 안정적인 소자 특성 확보 다양한 전자 기계가 발달하면서 투명하면서도 휘어지는 성질을 가진 고성능의 반도체 개발에 대한 필요가 증가하고 있다. 그러나 현재 주로 사용되는 실리콘 소재의 반도체로는 이러한 반도체를 만들기 어려워 신소재에 대한 연구가 활발하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계면제어연구센터 최원국 박사, 송용원 박사 연구팀이 신소재인 흑린을 이용해 안정성과 성능이 높은 트랜지스터(transistor)를 개발했다. 흑린은 공기 중에서 반응속도가 너무 높아 불안정하다는 단점 때문에 트랜지스터로 만들기에 어려움이 많았다. 연구팀은 반응을 억제하기 위해 보호막을 씌워 안정성을 확보했다. 이렇게 개발된 트랜지스터는 안정적일 뿐 아니라 성능도 뛰어나 차세대 반도체 개발에 한층 가까워졌다는 평가이다. 그래핀은 2004년 발견된 이래, 실리콘을 대체할 차세대 반도체 재료로써 각광 받아왔지만 도체인 금속 성질이 더 우세하여 반도체에 적용하기에 어려운 점이 많았다. 이러한 단점을 보완하기 위해, 이황화몰리브덴 등의 재료가 트랜지스터로써 개발되었지만, 성능부분에서 한계가 있었다. 흑린(black phosphorus)은 인(phosphorus)과 원소는 같으나 모양과 성질이 다른 동소체로 그래핀과 마찬가지로 두께가 원자 수준으로 얇으며 원자가 층 구조인 물질이다. 이런 특성으로 인해 흑린은 기존 물질을 대체할 차세대 반도체 재료로 관심이 높다. 하지만 공기 중에서의 반응속도가 너무 높아 안정적이지 못해 반도체 소자를 제작하고 구동하는데 어려움이 많았다. 연구팀은 공기 중에서 흑린이 직접적으로 반응하는 것을 억제하기 위해, 흑린에 무기물인 얇은 산화알루미늄(Al2O3) 막을 보호층으로 감쌌다. 무기물 막은 만들어지는 과정에서 열이 발생하는데 정확한 분석을 위해 열로 인한 효과와 무기물 막으로 인한 효과를 분리하여 분석했다. 연구팀은 각각의 공정에서 저주파 잡음(low-frequency noise)을 비롯한 전기적 측정 및 분석을 수행했다.(그림 3). 그 결과 열로 인한 효과와 별도로, 저주파 잡음 수준이 산화알루미늄 보호막 증착을 통해 줄어드는 것을 확인하였다.(그림 4) ※ 저주파 잡음 분석 : 반도체 소자 내에서의 전하 이동 메커니즘 및 소자의 신뢰성을 평가할 수 있는 측정 및 분석 방법. 반도체 소자가 소형화 될수록 신호 대비 저주파 잡음 비율이 높아진다는 점으로 볼 때, 저주파 잡음 특성이 낮게 나타나면 소자가 성능이 좋아지고 소형화 및 집적화에 유리하다고 볼 수 있다. 또한 추가적으로 광학현미경 사진과 라만 분석을 통해 2개월 후에도 산화알루미늄막이 보호층으로 작동하여 흑린이 공기 중에도 안정적으로 존재할 수 있다는 것을 밝혔다.(그림 5) 이는 산화알루미늄 보호층을 적용한 흑린 트랜지스터 소자가 안정적이고 효과적으로 사용될 수 있음을 보여주는 것이다. ※ 라만 분석 : 물질 고유의 분자 진동수가 존재한다는 원리를 바탕으로 재료의 특성을 파악할 수 있는 분광법. 본 연구에서는 흑린의 존재 여부를 판단하는데 이용되었다. 이와 같이 개발된 흑린 트랜지스터는 향후 디스플레이용 박막 트랜지스터, CPU, 메모리 등의 반도체산업에 활용될 가능성이 있다. 박막 트랜지스터의 경우, 현재 상용화 단계인 저온폴리실리콘, 금속산화물 등의 재료에 비해 성능이 뛰어나며, 유연성과 투명성을 갖출 수 있다는 점에서 기대가 되는 물질이다. 하지만 대량생산을 위해서는 흑린 소재를 균일하고 대면적으로 합성할 수 있는 기술의 개발이 추후 보완되어야 한다. 본 연구에서는 위와 같은 응용분야에서 흑린이 트랜지스터로써 안정적으로 동작할 수 있다는 것을 밝히고, 기본적인 소자 특성을 평가하고 개선하였다는데 그 의의가 있다. 제 1저자인 나준홍 박사는 “이번 연구결과를 통해 그동안 논란이 되어왔던 흑린 소재의 트랜지스터가 안정적으로 구동된다는 것을 확인할 수 있었다”며, “나아가서 이번 연구는 흑린 내에서의 전하 이동 메커니즘을 이해하는데도 큰 도움이 될 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계면제어연구센터 최원국 박사, 송용원 박사 연구팀에서 진행된 연구로, 무기물 보호층을 적용하여 수 나노미터(nanometer) 두께의 흑린을 대기 중에서도 안정적으로 구동할 수 있는 트랜지스터로써 탈바꿈 시켰을 뿐만 아니라, 저주파 잡음 측정을 통하여 흑린 트랜지스터의 동작 원리를 분석하고 성능이 개선된 것을 확인하였다. 이번 연구 성과는 ACS Nano에 “Few-Layer Black Phosphorus Field-Effect Transistors with Reduced Current Fluctuation” (DOI: 10.1021/nn5052376)라는 제목으로 11월 4일(화)에 온라인 게재되었다. 이번 연구는 KIST의 기관고유연구사업 지원으로 수행되었다. ○ 연구진: ■ Dr. 송용원, 책임연구원, 계면제어연구센터, KIST ■ Dr. 최원국, 책임연구원, 계면제어연구센터, KIST ■ Dr. 나준홍, 박사후연구원, 계면제어연구센터, KIST ○ 관련자료 <그림 1> 세 개의 흑린 층을 표현한 모식도 <그림 2> 트랜지스터로 제작된 흑린의 광학 현미경 사진(왼쪽)과 3차원 현미경 사진(오른쪽) <그림 3> 열처리와 산화알루미늄 보호막 증착을 통한 트랜지스터 소자 변수 개선 확인 그래프 <그림 4> 산화알루미늄 보호층 효과로 인한 흑린 트랜지스터의 저주파 잡음 특성 개선 확인 그래프 <그림 5> 광학현미경 사진과 라만 분석을 통해 안정성 검사를 실시한 결과, 2개월 후에도 흑린이 공기 중에서 존재할 수 있다는 것을 보여주는 그래프