차세대 반도체 소자에서 에너지 주입이 필요없는 새로운 전자 흐름이 발견됐다. 기존 전자 회로보다 에너지 효율을 비약적으로 높이는 것은 물론이고 발열 문제도 해결할 것으로 기대된다.
박지웅 미국 코넬대 화학·화학생물학과 교수팀은 이황화몰리브덴(MoS2) 원자로 만들어진 초박막 반도체 소자에서 ‘계곡 홀 현상’을 관찰했다고 29일 밝혔다. 이는 높은 에너지 입자 주입 없이도 낮은 에너지 입자가 물질 내 특정 방향으로 이동하는 현상이다.
기존 소자에서는 전자를 움직이기 위해 전압을 가해줘야 했다. 이 과정에서 높은 에너지 입자가 쉽게 열을 내면서 에너지 효율을 떨어뜨리는 문제가 있었다. 최근 반도체 소자 크기가 작아지고 전자 기기에 사용되는 소자 양이 증가하며 이 에너지도 증가하는 추세다.
단원자 물질인 이황화몰리브덴으로 만든 반도체 소자에서는 에너지 주입 없이도 특정 방향으로 입자가 움직이는 현상이 관찰됐다. 전자를 움직이기 위해 외부 에너지를 가할 필요가 없어 에너지 효율을 비약적으로 높일 수 있다.
전자와 불순물간 충돌도 사라져 이론적으로는 발열 현상을 완전히 해결할 수 있는 가능성도 열렸다. 연구진은 소자 가장자리에서 홀(Hall) 전압을 관찰해 이같은 현상을 입증했다.
소자 내에서 입자를 움직이려면 전압 대신 소용돌이 파동의 빛을 가해주면 된다. 두 가지 빛 종류에 따라서 전자가 흐르는 방향이 결정된다. 이 특성은 On·Off를 선택하거나 정보 흐름을 조절하는 기능으로 활용할 수 있다.
에너지 효율이 높으면서 발열도 없는 반도체 소자 개발 가능성이 열린 셈이다. 이황화몰리브덴을 안정적이면서도 대량으로 얻을 수 있는 제조 기술 확보, 계곡 홀 현상 후속연구를 통한 일반화가 실용화 관건이다.
박 교수는 “이황화몰리브덴으로 대표되는 새로운 단원자 두께 물질에 대한 새로운 연구방향을 제시했고, 이를 응용한 기술로 연계·발전될 것”이라고 기대했다.
연구는 미래창조과학부가 지원하는 나노·소재기술개발사업의 제2세부과제 일환으로 수행됐다. 연구 결과는 미국과학진흥협회(AAAS)가 발행하는 국제학술지 ‘사이언스’ 6월 27일자에 실렸다.
송준영기자 songjy@etnews.com