KAIST, 저전력·고성능 다이오드 소자 개발

[충청뉴스 이성현 기자] 국내 연구진이 전력을 적게 소모하면서도 고성능을 지닌 다이오드 소자를 개발하는 데 성공했다.

한국과학기술원(KAIST)은 물리학과 조성재 교수 연구팀이 쇼트키 다이오드가 갖는 열적 거동의 한계를 뛰어넘는 저전력 정류 소자를 세계 최초로 개발하는 데 성공했다고 25일 밝혔다.

연구팀은 단층 흑연, 즉 그래핀(graphene)이 갖는 선형적 분산 관계의 전자 띠 구조를 이용해 ‘열적 거동 한계’를 극복한 다이오드를 최초로 구현하는 데 성공했다.

다이오드 전극으로 기존 다이오드에서 활용되었던 금속을 사용하는 대신, 그래핀을 활용함으로써 기존 다이오드의 이상지수의 한계를 뛰어넘는 초 이상적 저전력 정류 소자를 개발하는 데 성공할 수 있었다.

반도체 물질과 금속이 접합됐을 때 두 물질의 계면에서 형성되는 쇼트키 장벽에 의해 정류 현상이 일어나는 쇼트키 다이오드의 성능은 크게 정류비와 이상 지수로 나눌 수 있다.

쇼트키 다이오드의 이상 지수는 다이오드의 전류를 10배 증가시키는 데 필요한 전압의 값과 연관된 수치이며, 열적 거동 한계로 인해 상온에서의 일반적인 쇼트키 다이오드는 이상 지수 1 이상의 값을 반드시 갖는 것으로 알려져 있다.

연구팀은 이번 연구에서 단층의 이황화 몰리브덴에 일함수가 다른 단층 그래핀과 다층 그래핀의 비대칭적 접촉을 통해 계면 문제를 해결한 쇼트키 다이오드를 구현했다.

이번 연구에서 새롭게 개발한 그래핀 소스를 이용한 디랙 소스 다이오드는 넓은 전류 작동범위(1~1만배 전류 범위)에서 이상 지수의 값이 1 미만을 갖는 열적 거동의 한계를 극복한 성능을 달성했으며, 다이오드의 온(on) 상태와 오프(off) 상태의 비율인 정류비가 1억(108) 이상으로 기존에 보고돼왔던 다이오드보다 2~10배 낮은 전압으로도 기존의 다이오드보다 높은 전류의 정류 작동이 가능함을 보였다.

조성재 교수는 "이번 연구는 세계 최초로 물리적인 열적 거동 한계를 뛰어넘는 저전력, 고성능의 다이오드 소자를 발명한 것으로 최소한의 전압과 전력으로 태양광 소자나 광검출기와 같은 미래 산업에서의 활용성이 높을 것으로 기대한다ˮ고 밝혔다.