<어드밴스드 머티리얼스> 4월 1일자 표지논문 발표
“트랜지스터 구조 변경해 한계 극복”

전자·전파공학과 김선국 교수 연구팀이 전자기기의 성능과 직결된 트랜지스터의 광반응성을 증폭시키는 방법을 개발했다. 전자회로의 기본 부품인 트랜지스터는 전기신호를 증폭시키거나 전류 흐름을 조절하는 역할을 하는데, 트랜지스터의 광반응성이 우수할수록 광전자 소자로의 응용성이 높다. 김선국 교수 연구팀은 트랜지스터의 구조를 변경해 광반응성을 증폭, 트랜지스터의 성능을 향상시켰다. 연구결과는 신소재 분야 권위지 <어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)> 4월 1일자 표지논문으로 채택됐다. 논문 제목은 ‘국소 하단 게이트 구조를 갖는 다층 이황화몰리브덴 광트랜지스터의 광증폭(Giant Photoamplifi cation in Indirect-Bandgap Multilayer MoS2 Phototransistors with Local Bottom-Gate Structures)’이다.  


 
기존 트랜지스터보다 광효율 1,000배 향상
최근 디스플레이 분야에서는 휘어짐(Flexible), 투명, 고해상도, 3D 등을 실현하기 위한 연구가 활발히 진행 중이다. 차세대 디스플레이를 구현하기 위해서는 이동속도가 빠르고 소비전력이 낮은 트랜지스터가 필요한데, 산화물 반도체, 그래핀 등을 이용한 트랜지스터 연구가 상용화 수준에 미치지 못하는 한계에 부딪혔다. 이에 2차원 판상구조의 나노물질인 이황화몰리브덴이 차세대 반도체 나노 신소재로 주목받고 있다. 

김선국 교수는 지난 2012년, 높은 전자이동도와 유연성을 가진 다층 이황화몰리브덴 기반의 박막 트랜지스터를 세계 최초로 개발해 차세대 전자소자의 가능성을 제시했다. 후속 연구를 통해 공정기술을 확보해온 그가 이번에는 광증폭 효과가 있는 ‘국소 하단 게이트 광트랜지스터 구조’를 개발해 다층 이황화몰리브덴 광트랜지스터 상용화에 더 가까이 다가섰다. 연구팀은 부분적으로 하단 게이트 구조를 갖는 다층 이황화몰리브덴 광트랜지스터가 기존 트랜지스터보다 광효율이 1,000배 향상되는 결과를 확인했다.

김선국 교수는 “반도체의 고유한 특성을 바꿀 수 없으나 소자구조 변경을 통해 한계를 극복하고자 했다”면서 “이번에 개발한 구조는 이황화몰리브덴 이외의 물질에도 적용 가능해 광반응성 증폭 포토 디바이스의 활용 분야에 따라 다양한 물질이 사용될 수 있다”고 설명했다. 

인터랙티브 디스플레이에 응용 가능
연구결과는 투명하고 휘어지는 터치스크린, 인터랙티브 디스플레이(Interactive Display)에 응용할 수 있다. 차세대 디스플레이로 평가받고 있는 인터랙티브 디스플레이는 인간의 감각과 전자기기의 정보 전달을 통해 소통할 수 있게 한다. 이 디스플레이는 빛의 변화를 추적하기 때문에 마우스나 키보드 등 외부 입력장치 없이 손으로 디스플레이에 있는 물체를 조작하거나 손의 움직임을 그대로 읽어내 전자판서, 지문인식 제어 등을 가능하게 한다. 김선국 교수는 “인터랙티브 기술이 자연스럽게 구현되기 위해서는 광트랜지스터의 효율이 좋아야 한다”며 “광반응성을 증폭시킨 이번 연구결과를 활용하면 인터랙티브 기능이 향상될 것”이라고 말했다.   

이번 연구에는 국민대 최웅 교수와 캐나다 워털루대 윤영기 교수가 공동으로 참여했으며, 미래창조과학부의 헬스케어 원천기술과 미래유망 융합기술 파이오니아사업 지원으로 수행됐다.