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< 전기및전자공학부 김용훈 교수, 이주호 박사과정 >

우리 대학 연구진이 차세대 반도체 소자 설계의 기반이 되는 물리학 표준이론의 대안(alternative)을 제시했다.

전기및전자공학부 김용훈 교수 연구팀은 현대 양자수송 표준이론의 대안을 제시, 나노소자의 에너지 특성 까지 정확히 예측할 수 있는 이론을 확립하고 소프트웨어로 구현 했다고 14일 밝혔다.

일상적으로 쓰는 가전제품에서는 전자가 입자적 성격을 띠고 고전적으로 흐르지만, 최신 전자제품에 들어있는 첨단 나노소자에서는 전자가 양자적 특성을 띠고 전혀 다르게 움직인다.

원자나 분자 수준에서 단위정보를 처리하는 신개념 반도체 소자나 수소전지 같은 차세대 에너지 소자의 설계를 위해서는 이 같은 미시세계에서의 전자 및 스핀의 양자수송(quantum transport) 특성을 반영하여 소자의 동작을 미리 예측하는 과정이 필수적이다.

< (그림 1) 미세소자에서의 전하수송에 대한 새로운 양자역학적 개념 제시. (위)전류의 고전역학적 수송과 양자역학적 수송의 차이 및 본 연구의 개념도. 나노 스케일의 미세소자에서는 전자들이 입자 특성을 가지고 옴의 법칙에 따라 흐르는 것이 아니라 파동함수의 특성을 유지하는 양자적인 수송 특성을 지니게 됨. 현대 양자수송의 표준이론은 1957년 발표된 란다우어 이론임. (아래) 이번 연구에서 개발된 이론(다공간 제한탐색 밀도범함수론)의 개념 및 소프트웨어 구동의 모식도. 전자의 양자수송 현상을 다공간 전자여기 현상에 대응시켜 란다우어 관점을 대체할 수 있는 방법을 제안하고 나노소자 설계 소프트웨어로 구현함. >

< (그림 2) 미세소자의 에너지 특성 예측으로 소자설계 기반 마련. 새롭게 개발된 이론을 활용하면 전도 특성 이외에 비평형 상태에서 구동되는 나노소자에 대한 에너지까지 계산할 수 있어 기존의 양자수송 계산방법론에 비해 나노소자의 특성을 더욱 정확하게 예측할 수 있으며 더 많은 정보를 추출할 수 있다. 그림은 단일분자 소자에 대한 계산을 통해 터널링 수송 특성 이외에 에너지를 변분적으로 도출하는 과정을 나타냄. 에너지 정보를 활용하면 배터리, 수소전지, 촉매 등의 에너지 소자 설계가 가능해진다. >

20세기 후반에 확립된 양자수송에 대한 표준이론은 나노소자를 채널영역과 그에 연결된 무한한 두 개의 전극으로 구성된 열린 양자계(open quantum system)로 기술한다.

이를 바탕으로 첨단 트랜지스터, 태양전지, LED 등 다양한 반도체 소자의 구동을 해석하려는 노력이 있지만, 이 방법으로는 전도성 이외 무한한 전극이 포함된 소자의 에너지를 기술할 수 없어 에너지 소자의 설계에 활용하기에는 한계가 있었다.

연구팀은 이 한계를 극복하고자 비평형 상태의 나노소자를 닫힌 양자계로 보고, 이 안에서의 양자수송 현상을 한 쪽 전극에서 다른 쪽 전극으로 전자가 광학여기(optical excitation) 되는 현상에 대응시키는 관점을 제안했다. 또한 이를 통해 소자의 에너지를 최소화하는 방식의 이론을 개발 하고 소프트웨어로 구현했다.

이 계산방식을 활용하면 소자의 전류-전압 특성 이외 에너지 특성까지 기술할 수 있어, 특히 배터리 같은 에너지 저장소자, 촉매나 연료전지 같은 에너지 변환소자 등 원자 수준 에너지 소자 설계의 중요한 실마리가 될 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업, 나노소재원천기술개발사업, 기초연구실지원사업, 글로벌프론티어 사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 세계적인 학술지 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)에 7월 1일 게재됐다.