▲ 사진출처/미래창조과학부.

코넬대학교 박지웅 교수 연구진이 기존 반도체 소자의 에너지 효율을 더욱 높일 수 있는 원자 두께의 얇은 반도체 소자에서 새로운 전자 움직임 현상을 발견해, 향후 기존의 전자 회로보다 우수한 에너지 효율을 지니는 소자를 제작할 수 있는 가능성을 열었다.

이번 연구는 미래창조과학부에서 지원하는 나노.소재기술개발사업(총괄책임자: 세종대학교 그래핀연구소장 홍석륜 교수)의 제2세부(책임자: 코넬대학교 박지웅 교수)과제의 일환으로 수행됐고, 미국과학진흥협회(AAAS)에서 발행하는 세계적 국제학술지인 ‘사이언스(Science)’에 지난달 27일 게재됐다.(논문명: The valley Hall effect in MoS2 transistors)

최근 반도체 소자의 크기가 작아지고 단일 전자 기기에 사용되는 소자의 양이 증가하면서 이를 작동시키기 위해 필요한 에너지도 증가하고 있으나, 기존 반도체 소자의 경우 정보 전달 및 저장을 위해 필요한 에너지 중 많은 양이 불필요한 열에너지로 낭비가 되는 문제(컴퓨터나 휴대전화기기의 작동 시의 가열 현상)가 있었다.

일반적으로 특정한 방향으로 정보를 전달키 위해서는 전하를 지닌 입자에 배터리를 통해 전압을 가해주어야 한다. 이 과정에서 높은 에너지의 입자가 쉽게 열을 내면서 에너지 비효율이 발생한다.

연구팀은 이황화몰리브덴(MoS2)이라는 원자 단위의 얇은 반도체 물질로 만들어진 소자에서 높은 에너지의 입자 주입 없이도 낮은 에너지의 입자가 물질 내 특정 방향으로 이동하는 새로운 현상인‘계곡 홀 현상’을 관찰했다.

연구팀은 이 소자에서 낮은 에너지의 안정된 입자들이 두 가지 서로 다른‘에너지 계곡’이라 불리는 곳에 존재하고, 같은 전하의 입자라 하더라도 위치하는 계곡에 따라서 서로 다른 방향으로 진동하면서 존재하는 것을 알아냈다.

구체적으로 연구팀은 단일 두께의 이황화몰리브덴(MoS2)으로 만든 소자에 파동이 소용돌이치는 형태의 빛을 쪼여줌으로써 따로 전압을 가해주지 않아도 각 입자들이 특정 방향으로 휘어질 수 있음을 실험적으로 관찰했고, 또한 빛의 방향을 달리해 각 전하가 휘어지는 방향이 반대로 바뀌게 됨을 증명해, 입자들의 휘어지는 방향을 자유롭게 제어해 정보를 전달하고 저장할 수 있는 새로운 개념을 구현했다.

박지웅 교수는“이번연구로 이황화몰리브덴으로 대표되는 새로운 단원자 두께의 물질에 대한 관련 분야의 새로운 연구방향을 제시하면서, 이를 이용한 응용 기술로 연계 ․ 발전될 것으로 기대된다.”고 말했다.