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자기장과 자성체 없이 전기로만 작동 가능한 그래핀 스핀 트랜지스터 돌파구 마련
우리 대학 물리학과 조성재 교수 연구팀이 그래핀으로 자기장, 자성체 없이 스핀 전류를 생성, 검출하는 실험에 성공해 차세대 그래핀 스핀 트랜지스터 개발의 돌파구를 마련했다.
차세대 신소재로 주목받는 그래핀은 탄소 원자가 벌집 모양으로 이루어진 2차원 물질(원자만큼 얇은 물질)로서 전기전도성, 탄성, 안정성이 높아 ‘꿈의 나노 물질’이라고 불린다. 이 그래핀은 전자의 스핀 확산 거리가 길어, 전자스핀을 정보화하는 분야인 스핀트로닉스 응용에 큰 기대를 받아왔다. 하지만 그래핀은 전자의 스핀과 전자의 궤도가 상호작용하는 스핀-궤도 결합 에너지가 매우 약하다는 이유로 스핀 전류를 직접 생성하거나 검출할 수 없다는 한계가 있었다.
조성재 교수 연구팀은 그래핀에 스핀-궤도 결합이 매우 큰 전이금속이자 디칼코게나이드 물질인 2H-TaS2를 접합시켜서 그 인접효과로 그래핀의 스핀-궤도 결합을 100배 이상 증가시키는 데 성공했고 이어 ‘라쉬바 효과’를 유도하는 데 성공했다.
‘라쉬바 효과’란 강한 스핀 궤도 결합으로 그래핀과 같은 2차원 물질 내부의 전기장이 자기장으로 전환되는 효과를 말한다. 이것을 이용해 스핀 전류를 생성, 검출하는 효과를 ‘라쉬바-에델스타인 효과’라고 부르는데 이번 연구에서는 이 효과를 그래핀에서 최초로 구현했다.
리준리 박사후 연구원이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘에이씨에스 나노 (ACS Nano)’ 4월 8일 字 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Gate-Tunable Reversible Rashba−Edelstein Effect in a Few-Layer Graphene/2H-TaS2 Heterostructure at Room Temperature).
라쉬바 효과가 그래핀에 유도되면, 라쉬바-에델스타인 효과에 의해 전하 전류와 스핀 전류가 상호 전환이 가능하다. 다시 말해, 자기장이나 자성체 없이 그래핀에 전류를 흘려줌으로써 스핀 전류를 생성시킬 수 있고, 그래핀 층에 흘러들어오는 스핀 전류를 전하 전류 혹은 전압 측정을 통해 검출할 수 있다.
조 교수 연구팀은 또 트랜지스터의 단자 사이에 인가되는 전압인 게이트 전압으로 그래핀 이종접합에 생성되는 스핀 전류의 크기와 방향을 제어하는 데 성공했다. 이는 추후 자기장, 자성체 없이 동작 가능한 그래핀 스핀 트랜지스터의 초석을 마련한 획기적인 연구성과로 평가받는다.
조성재 교수는 “이번 연구는 그래핀 이종접합에 자기장, 자성체 없이 전기적으로만 스핀 전류를 생성, 검출, 제어할 수 있음을 보인 최초의 연구로서 전기적으로만 작동 가능한 그래핀 스핀 트랜지스터의 개발로 이어질 것”이라며 “특히, 상온에서 실험이 성공했기 때문에 응용 가능성이 매우 크기 때문에 향후 우리나라 비메모리 산업뿐 아니라 세계적으로 스핀트로닉스 관련 물리학 및 산업에 응용할 수 있는 효과를 기대할 수 있어 의미가 매우 크다”고 강조했다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단 미래반도체 신소자원천기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
2020.05.18 조회수 17379 -
MOSFET보다 빠른 저전력 트랜지스터 개발
우리 대학 물리학과 조성재 교수 연구팀이 기존의 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET) 대비 작동 전력 소모량이 10배 이상 낮고 동작 속도가 2배 이상 빠른 저전력, 고속 터널 트랜지스터를 개발했다. 이제까지 구현된 저전력 트랜지스터 중 MOSFET보다 빠른 트랜지스터의 개발은 최초이다.
조 교수 연구팀은 흑린(black phosphorus)의 두께에 따라 밴드갭이 변하는 독특한 성질을 이용해 트랜지스터 채널을 구성함으로써 전력소모를 줄이고, 단층 붕화 질소 (hexagonal boron nitride)를 트랜지스터의 drain 접합에 이용해 터널 트랜지스터의 작동 상태 전류를 높이는데 성공했다. 이제까지의 저전력 트랜지스터는 전력 소모는 낮지만, 작동 상태 전류가 기존 MOSFET에 비해 현저히 작아서 작동 속도가 느린 문제점이 있었다.
김성호 연구원이 1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘나노 레터스 (Nano Letters)’ 4월 24일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Monolayer Hexagonal Boron Nitride Tunnel Barrier Contact for Low-Power Black Phosphorus Heterojunction Tunnel Field-Effect Transistors)
트랜지스터의 전력 소모를 감소시키기 위해서는 트랜지스터의 작동 전압과 대기 상태 전류를 동시에 낮추는 것이 필수적이다. 이를 위해서는 subthreshold swing (SS, 전류를 10배 증가시키는데 필요한 전압값, 단위: mV/decade = mV/dec)을 낮추는 것이 필요한데, 기존의 MOSFET은 thermal carrier injection mechanism 때문에 SS 값이 상온에서 60 mV/dec 이하로 낮아질 수 없다는 한계를 지닌다. band-to-band-tunneling을 carrier injection mechanism으로 가지는 터널 트랜지스터는 상온에서 SS 값이 60 mV/dec 미만으로 낮아질 수 있기 때문에 MOSFET을 대체할 수 있는 저전력 소자로 제안되어왔다. 지난 1월 조교수 연구팀은 흑린을 사용하여 60 mV/dec미만의 SS를 가지는 저전력 트랜지스터를 개발하는데 성공하여 Nature Nanotechnology에 결과를 보고하였다. 하지만, 그 결과 또한 여전히 작동 상태 전류, 특히 SS = 60 mV/dec인 지점에서의 전류가 0.6 μA/μm로 MOSFET의 threshold에서의 전류값 1-10μA/μm보다 낮은 한계가 있었다.
조 교수 연구팀은 본 연구에서 단층 붕화 질소를 활용하여 지난 연구의 한계를 극복하고 SS = 60mV/dec 지점에서의 작동 상태 전류를 Nature Nanotechnology에 보고한 저전력 흑린 트랜지스터에서의 결과보다 10배 이상 크고, MOSFET의 threshold에서의 전류값보다도 큰 20 μA/μm을 달성했다. 흑린(black phosphorus)의 두께에 따라 밴드갭이 변하는 독특한 성질을 이용해 트랜지스터 채널을 구성함으로써 전력소모를 줄이고, 단층 hexagonal boron nitride를 트랜지스터의 drain 접합에 이용해 터널 트랜지스터의 작동 속도를 높이는데 성공하여 저전력 고속 트랜지스터의 구성 요건을 완성했다는 점에서 큰 의의가 있다.
조성재 교수는 “흑린 이종접합 트랜지스터가 기존의 어떤 트랜지스터보다 저전력, 고속으로 작동하는 것을 확인했다. 이는 기존 실리콘 기반의 MOSFET을 대체할 수 있는 새로운 트랜지스터의 가능성을 보여주는 결과이다.”라며 “이번 연구 결과를 바탕으로 기초 반도체 물리학 및 비메모리 반도체 산업에 다양한 응용이 가능할 것으로 기대한다.”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 미래반도체신소자원천기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
2020.05.06 조회수 14500 -
50년 만에 스핀구름 존재 규명
물리학과 심흥선 교수 연구팀(응집상 양자 결맞음 선도연구센터)이 금속과 반도체 안에서 불순물의 자성을 양자역학적으로 가리는 스핀 구름의 존재를 규명하는 데 성공했다.
이는 50년 동안 입증되지 않아 논란이 있던 스핀 구름의 존재를 밝힌 것으로, 향후 차세대 양자정보 소자 개발 등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
일본이화학연구소(RIKEN), 홍콩성시대학(City University of Hong Kong)과 공동으로 수행하고 KAIST 물리학과 심정민 박사과정 학생이 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처(Nature)’ 3월 12일 자에 게재됐다. (논문명 : Observation of the Kondo screening cloud)
도체나 반도체 내의 잉여 전하는 주위 자유 전자들의 전하 구름에 의해 가려진다. 이와는 근본적으로 원리가 다르지만, 도체나 반도체 내 불순물이 스핀을 가질 때, 이 스핀은 주위의 자유 전자들에 의해 생성된 스핀 구름에 의해 가려진다고 알려져 있다. 콘도 효과 (Kondo effect)라고 불리는 이 현상은 충분히 낮은 온도에서 발현되는 양자역학적 현상으로 대표적 자성 현상이다.
콘도 효과의 여러 특성들은 대부분 규명됐으나 스핀 구름의 존재가 입증되지 않은 채 남아있었다. 지난 50년 동안 다양한 시도들이 꾸준히 있었으나 스핀 구름은 발견되지 않았고, 이에 따라 스핀 구름이 실제로 존재하는 것인가에 대한 논쟁이 있었다. 스핀 구름이 다양한 자성 현상에서 중요한 역할을 할 것으로 예측됐기 때문에, 스핀 구름을 발견하고 제어하는 것은 관련 학계에서 성배를 찾는 것과 같은 정도의 중요성으로 비유됐다.
심 교수 연구팀은 일본 이화학연구소와 홍콩성시대학의 연구진들과 공동 연구를 통해 콘도 스핀 구름을 최초로 발견했다. 발견한 스핀 구름의 크기는 마이크로미터(10-6 미터)에 달한다.
연구팀은 스핀 구름을 전기 신호를 이용해 관측하는 방법을 2013년에 선행연구로 제안한 바 있다. 이 선행연구에서는 전기장을 스핀 구름 내부에 가한 경우와 외부에 가한 경우에 각각 서로 다른 전류가 발생함을 예측했고, 이를 이용해 스핀 구름 공간 분포의 관측을 제안했다.
심 교수 연구팀의 제안에 따라 일본이화학연구소와 홍콩성시대학의 연구팀은 양자점을 이용해 반도체에 불순물 스핀을 인위적으로 생성하고, 생성된 불순물 주변에 서로 다른 여러 곳에 전기장을 인가할 수 있는 양자 소자를 제작하는 실험을 수행했다.
100mK(밀리켈빈)의 낮은 온도에서 관측된 소자의 전기 신호를 심 교수 연구팀에서 분석한 결과, 발견된 스핀 구름의 크기와 공간 분포는 이론 예측과 일치했고 그 크기는 수 마이크로미터(10-6 미터)로 확인됐다.
심흥선 교수는 “스핀 구름의 존재 입증은 학계의 숙원으로, 이번 연구에서 스핀 구름이 발견된 만큼 스핀 구름에 대한 후속 연구들이 활성화될 것으로 기대된다”라며, “스핀 구름을 전기적으로 제어해 미해결 자성 문제들을 이해하는 데에 활용할 수 있을 뿐 아니라, 스핀 구름의 양자 얽힘 특성을 기반으로 해 차세대 양자정보 소자를 개발할 수 있다”라고 말했다.
이 연구는 한국연구재단의 기초과학 선도연구센터 지원사업의 지원을 통해 수행됐다.
2020.03.13 조회수 14780 -
저전력·고속 터널 전계효과 트랜지스터 개발
물리학과 조성재 교수 연구팀이 기존의 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET) 대비 작동전력 소모량이 10배 이상, 대기전력 소모량이 1만 배 가까이 적은 저전력, 고속 트랜지스터를 개발했다.
조 교수 연구팀은 2차원 물질인 흑린(black phosphorus)의 두께에 따라 밴드갭이 변하는 독특한 성질을 이용해 두 물질의 접합이 아닌 단일 물질의 두께 차이에 의한 이종접합 터널을 제작하는 데 성공했다. 이러한 단일 물질의 이종접합을 터널 트랜지스터에 활용하면 서로 다른 물질로 제작한 이종접합 트랜지스터에서 발생했던 격자 불균형, 결함, 계면 산화 등의 문제를 해결할 수 있어 고성능 터널 트랜지스터의 개발이 가능하다.
김성호 연구원이 1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 나노테크놀로지 (Nature Nanotechnology)’ 1월 27일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Thickness-controlled black phosphorus tunnel field-effect transistor fro low-power switches).
무어 법칙에 따른 트랜지스터 소형화 및 집적도 증가는 현대의 정보화 기술을 가능하게 했지만 최근 트랜지스터의 소형화가 양자역학적 한계에 다다르면서 전력 소모가 급격히 증가해 이제는 무어 법칙에 따라 트랜지스터 소형화가 진행되지 못하는 상황이다. 최근에는 자율주행차, 사물인터넷 등의 등장으로 많은 양의 데이터를 저전력, 고속으로 처리할 수 있는 비메모리 반도체의 기술 발달이 시급히 요구되고 있다.
트랜지스터의 전력 소모는 크게 작동 전력 소모와 대기 전력 소모로 나뉜다. 작동 전력과 대기 전력을 같이 낮추기 위해서는 트랜지스터의 작동 전압과 대기 상태 전류를 동시에 낮추는 것이 필수적이다. 이를 위해서는 전류를 10배 증가시키는데 필요한 전압으로 정의되는 SS 값(subthreshold swing, 단위: mV/decade = mV/dec)의 감소가 필요한데, 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터에서는 SS 값이 상온에서 60 mV/dec 이하로 낮아질 수 없다. 이를 해결하기 위해서는 상온에서 SS 값을 60 mV/dec 이하로 낮출 수 있는 새로운 트랜지스터의 개발이 필요하다. 이전에 개발되었던 낮은 SS를 가지는 저전력 터널 트랜지스터의 경우 트랜지스터 채널을 구성하는 두 물질의 이종접합 계면에서 산화막 등의 문제가 발생하여 작동 상태에서 낮은 전류를 가지는 문제가 있었다. 작동 상태 전류는 트랜지스터 작동속도에 비례하기 때문에, 낮은 작동 상태 전류는 저전력 트랜지스터의 경쟁력을 떨어뜨린다.
조 교수 연구팀이 적은 전력소모를 위한 낮은 SS 값과 고속 작동을 위한 높은 작동 상태 전류를 단일 트랜지스터에서 동시에 달성한 것은 유례없는 일로 2차원 물질 기반의 저전력 트랜지스터가 기존의 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터의 전력 소모 문제를 해결하고, 궁극적으로 기존 트랜지스터를 대체하고 미래의 저전력 대체 트랜지스터가 될 수 있음을 의미한다. 조성재 교수는 “이번 연구는 기존의 어떤 트랜지스터보다 저전력, 고속으로 작동해 실리콘 기반의 CMOS 트랜지스터를 대체할 수 있는 저전력 소자의 필요충분조건을 최초로 만족시킨 개발이다”라며 “대한민국 비메모리 산업뿐 아니라 세계적으로 기초 반도체 물리학 및 산업 응용에 큰 의의를 지닌다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 미래반도체신소자원천기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
2020.02.20 조회수 18378 -
이성빈 교수, 나노 물결 무늬에서 고차-위상 양자상태 발견
〈 박문집 연구원, 이성빈 교수 〉
우리 대학 물리학과 이성빈 교수 연구팀이 두 겹으로 비스듬하게 겹쳐 있는 뒤틀린 이중 층 그래핀의 무아레 무늬(나노 물결 무늬)에서 새로운 고차-위상학적 양자 상태가 발생한다는 사실을 이론적으로 규명했다.
이번 연구 결과는 뒤틀린 그래핀 이중 층 뿐 아니라 다양하고 복잡한 2차원 물질의 무아레 구조를 연구하는데도 적용할 수 있어 광범위한 응용이 가능할 것으로 기대된다. 특히 국내 물리학에서는 흔하지 않은 이론적 발견과 증명을 했다는 의미가 있다.
박문집 연구원이 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’ 11월 22일 자 온라인판에 편집자 추천(editors’ suggestion) 논문으로 선정됐다. (논문명 : Higher-Order Topological Insulator in Twisted Bilayer Graphene)
또한, 매달 전체 물리학계에서 중요하다고 여겨지는 주제를 소개하는 ‘네이처 리뷰 피직스 (Nature Review Physics)’ 연구 하이라이트(research highlight)에 11월 14일 자로 선정되기도 했다. (기사명: Fantastic beasts)
프랑스어로 물결이라는 뜻의 무아레(moiré)는 두 격자구조를 비스듬히 겹쳐 놓았을 때 물결이 일렁이듯이 나타나는 간섭무늬를 말한다. 모기장이 겹쳐 있는 부위에 햇빛이 비치면 물결무늬가 발생하는 것처럼 일상에서도 쉽게 확인할 수 있는 현상이다.
무아레 무늬는 일상생활뿐만 아니라 그래핀과 같은 이차원 나노 물질 두 겹을 비스듬하게 올려놓았을 때도 나타난다. 이때 뒤틀린 그래핀 이중 층에서 나타나는 무아레 무늬는 그래핀 격자의 주기를 수십에서 수만 배까지 증폭시킬 수 있다.
이러한 원리로 뒤틀림 각도에 따라 전기가 흐르지 않는 절연체가 되기도 하고 전기 저항이 아예 없는 초전도체가 되기도 하는 등 물성이 크게 변화할 수 있다. 특히 마법의 각도(magic angle)라고 불리는 1.1도 부근에서 전기 저항이 0이 되는 초전도 현상이 발견돼 이를 설명하기 위한 많은 연구가 진행 중이다.
고차-위상학적 절연체 상태는 새롭게 발견된 위상학적 절연체 중 하나이다. 기존 위상 절연체는 원래 물질보다 한 차원 낮은 경계면이 금속성을 띠는 특성을 갖지만, 고차-위상 절연체는 두 차원 낮은 경계가 금속성을 갖는다.
2차원 표면(surface) 물질을 예로 들면 위상 절연체의 경우 1차원 모서리(edge)에서 금속성을 확인할 수 있다면 고차-위상 절연체에서는 두 차원 낮은 0차원의 특정 끝부분(corner)에서 전자 상태가 된다.
이 2차원 물질 고차-위상학적 절연체의 존재는 아직 실험적으로 증명된 적이 없어 이 물질을 찾기 위한 연구들이 많은 관심을 받고 있다.
그러나 뒤틀린 그래핀 이중 층에서는 이러한 2차원 물질의 위상학적 양자 상태를 설명하기 위한 명확한 이론이 존재하지 않았다. 이는 뒤틀린 그래핀 이중 층에서 나타나는 무아레 무늬의 단위 격자당 탄소 원자의 개수가 수천에서 수만 개에 달해 전자의 움직임을 풀기에는 너무 복잡하기 때문이다.
이러한 탄소 기반의 전자 구조를 이론적으로 정확히 기술하기 위해서는 매우 큰 전산 능력의 대용량 컴퓨터를 이용하거나 특수한 상황으로 가정해 적용하는 근사방법들에 의존해야만 했다.
문제해결을 위해 이 교수 연구팀은 근사방법이 아닌 그래핀 이중 층의 무아레 무늬에서 나타나는 탄소 구조가 뒤틀림 각도에 상관없이 항상 일정한 몇 가지의 정확한 공간 대칭성을 가진다는 점을 이용했다. 이를 통해 뒤틀림 각도에 상관없이 이중 층 그래핀이 절연체라면, 이 이중 층 그래핀은 반드시 고차-위상학적 절연체 상태여야 한다는 사실을 이론적으로 규명했다.
이는 그래핀 이중 층이 가지는 회전 대칭성과 무아레 대칭 이동성이 뒤틀림 각도에 상관없이 항상 성립하는 것을 활용하는 원리이다. 연구팀의 이번 발견은 어떠한 근사방법에도 의존하지 않고 규명했다는 의의가 있다.
박문집 연구원은 “격자구조의 대칭성만을 이용해 이중 층 그래핀의 위상학적 특성을 정확하게 이론적으로 기술했다는 의의가 있다”라며 “뒤틀린 그래핀 이중 층이 이차원 고차-위상학적 절연체의 새로운 후보가 될 수 있을 것이다”라고 말했다.
이번 연구는 KAIST 스타트업 펀딩, BK21, 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 뒤틀어진 그래핀 이중층의 모서리에서 나타나는 고차 위상학적 양자상
그림2. 두 층의 뒤틀어진 벌집모양 격자에서 나타나는 무아레 무늬
2019.12.04 조회수 13794 -
심흥선 교수, 전자 움직임 포착할 수 있는 나노셔터 개발
〈 심흥선 교수, 류성근 연구원〉
우리 대학 물리학과 심흥선 교수팀(응집상 양자 결맞음 선도연구센터)이 나노 전기소자 내에서 전자 파동함수의 피코초(1조분의 1초) 수준의 초고속 움직임을 관찰하는 방법을 개발했다.
일본전신전화주식회사(NTT) 연구소, 영국국가표준기관(NPL) 연구소와 공동으로 수행하고 우리 대학 물리학과 류성근 연구원이 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)’ 11월 4일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Picosecond coherent electron motion in a silicon single-electron source)
움직이는 물체를 관찰하기 위해서는 카메라를 이용해 연속적으로 촬영하면 된다. 그러나 이 방법은 셔터의 작동 속도보다 더 빠른 물체의 움직임을 포착할 수 없다는 한계가 있다.
이러한 문제점은 나노 전기소자에도 동일하게 적용된다. 10기가헤르츠(GHz) 보다 더 빠른 전기 신호를 실시간으로 관측하는 것은 현재 기술로 불가능해 서브 마이크론 길이 내에서 104-105 m/sec의 속력으로 빠르게 움직이는 전자의 움직임을 기존 기술로는 포착할 수 없다.
심 교수 연구팀은 ‘나노 셔터’를 나노 전기소자 옆에 부착해 이 문제점을 해결할 수 있다는 이론을 제시했다. 여기서 나노 셔터는 공명 상태(resonance state)를 갖는 불순물로, 나노 전기소자 내의 전자가 불순물 근처에 도달할 때 전자는 공명 상태를 통해 소자 바깥으로 나오게 돼 전류 신호로 관측된다.
전자 에너지와 공명 상태 에너지가 같을 때만 바깥으로 나올 수 있으므로 공명 상태 에너지를 시간에 따라 변화시켜 나노 셔터를 빠르게 열거나 닫을 수 있다. 나노 셔터를 여는 시간을 바꾸면서 전류를 측정하면 전자가 불순물 근처에 도달한 시점 정보를 얻게 돼 나노 전기소자 내의 전자 움직임을 포착할 수 있다.
심 교수 연구팀의 이론적 해결책에 따라 일본 NTT 연구소는 영국의 국가표준기관인 NPL과 협력을 통해 나노 셔터 구현에 성공했다. 실험 연구팀이 이용한 나노 전기소자는 양자점 전자 펌프(quantum dot single-electron pump)로, 이 소자는 단일 전자를 정해진 주기로 발사하는 역할을 하며 전류의 표준을 연구할 때 사용된다.
양자점 전자 펌프의 출구에 불순물 공명 상태를 구현해 양자점 전자 펌프 내에서 전자 파동함수가 공간적으로 진동하고 있음을 관찰했다. 진동수는 무려 250기가헤르츠로 시간으로 환산하면 수 피코초 수준의 진동이다. 10 GHz 이상의 진동수의 전자 움직임을 포착한 것은 이번 연구가 처음이다.
심흥선 교수는 “양자역학 상태를 제어해 기존 기술의 한계를 돌파할 수 있음을 보여줬다”라며, “개발한 나노 셔터는 전자의 양자역학 근본원리를 탐구하는 데에 활용될 뿐 아니라 전류 표준, 초정밀 전자기장 센서, 초고속 큐빗 제어 등 차세대 양자정보 소자에 응용될 것이다”라고 말했다.
이 연구는 한국연구재단의 기초과학 선도연구센터 지원사업의 지원을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 실리콘 기반 양자점 전자 펌프
그림2. 나노 전기소자 내에서 초고속으로 움직이는 전자 측정법
2019.11.05 조회수 9281 -
조용훈 교수, 양자입자의 상온 응축 및 운동량 제어 기술 개발
우리 대학 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 머리카락 굵기보다 100배 얇은 육각형 반도체 막대 구조를 이용해 극저온에서만 형성이 가능했던 빛과 물질의 성질을 동시에 갖는 양자 입자(엑시톤-폴라리톤)를 응축하고 이의 운동량을 상온에서도 제어하는 데 성공했다.
이번 연구를 통해 향후 고효율의 비선형 광소자부터 양자 광소자에 이르기까지 광범위하게 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
송현규 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 미국 광학회의 국제학술지 ‘옵티카 (Optica)’10월 20일 자에 게재됐다.
빛이 반도체 내부의 엑시톤과 오랜 시간 동안 머물 수 있는 적절한 조건이 성립되면, 서로가 강하게 상호작용하며 빛과 물질이 지닌 장점을 동시에 갖는 제3의 양자 입자인 엑시톤-폴라리톤이 생성된다.
기존 연구에 많이 사용되던 비소화물 기반 반도체의 경우, 빛을 반도체 내부에 오랜 시간 가둬두기 위한 균일한 거울 구조를 만드는 공정과정은 잘 알려졌지만, 열에너지에 의해 엑시톤이 해리되기 때문에 극저온의 실험환경이 필수적인 요소였다.
반면 질화물 기반 반도체의 경우 상온에서도 안정적으로 존재할 수 있는 엑시톤을 형성할 수는 있지만, 거울 구조를 만드는 공정과정이 복잡하고 물리적 요인들로 인해 공간적으로 균일한 거울 구조를 만드는 데 한계가 있다. 이러한 불균일한 거울 구조는 엑시톤-폴라리톤의 움직임을 방해하는 중요한 원인이다.
연구팀은 거울 구조 대신 질화물 반도체 기반의 3차원 구조인 육각형 마이크로 막대 구조를 이용해 문제를 해결했다. 이 구조를 이용하면 거울 없이도 내부 전반사의 원리를 통해 균일하면서도 자발적으로 형성되는 빛의 모드와 엑시톤의 강한 상호작용으로 상온에서도 엑시톤-폴라리톤을 생성할 수 있게 된다.
엑시톤-폴라리톤은 빛으로부터 얻은 고유의 특성으로 인해 질량이 전자보다 10만 배, 원자보다 10억 배 가볍다. 기존 원자를 이용하면 절대영도(영하 273도) 근처에서 에너지가 낮은 하나의 바닥 상태를 모든 입자가 공유해서 마치 하나의 입자처럼 행동하는‘보즈-아인슈타인 응축 현상’이 관측된다. 연구팀은 질화물 반도체에서 엑시톤-폴라리톤 입자를 형성하여 이러한 응축 현상이 상온에서도 생성될 수 있다는 사실을 검증했다.
또한, 엑시톤으로부터 얻은 고유 특성으로 기존의 빛과는 다르게 엑시톤-폴라리톤 입자 서로 간의 밀어내는 힘인 척력이 발생한다. 연구팀은 고해상도 레이저 광학 시스템을 이용해 엑시톤-폴라리톤의 포텐셜 에너지와 이의 경사도를 조절해서 엑시톤-폴라리톤 응축 현상의 운동량을 제어하는 데에도 성공했다.
이와 같은 응축 현상의 운동량 제어는 공간적으로 넓은 결맞음을 동반하기에 양자 소용돌이와 같은 양자 상전이 현상부터 양자 시뮬레이터로 활용하기 위한 양자현상 제어의 중요한 요소 중 하나이다. 이 기술은 구동 전류가 10배 이상 낮은 엑시톤-폴라리톤 기반의 신개념 레이저, 비선형 광소자와 같은 고전적인 광소자뿐만 아니라 초유체 기반의 집적회로, 양자 시뮬레이터와 같은 양자광소자에 응용될 수 있다.
조 교수는 “상온 엑시톤-폴라리톤 플랫폼으로서 복잡한 저온 장치 없이 이와 관련된 기초연구의 문턱을 낮출 수 있는 기반이 될 수 있을 것이다”라며, “지속적인 연구를 통해 상온에서 작동이 가능한 다양한 양자 광소자로 활용되길 기대한다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자 지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 반도체 육각형 막대 구조에서 생성되는 상온 엑시톤 폴라리톤 응축 및 이의 운동량 제어
2019.10.31 조회수 11901 -
박용근 교수, 안경 없이 3차원 홀로그래픽 디스플레이 재생기술 개발
〈 박용근 교수 〉
우리 대학 물리학과 박용근 교수 연구팀이 안경 없이도 3차원 홀로그래픽 디스플레이를 재생할 수 있는 기술을 개발했다. 특히, 연구팀의 기술은 초박형 구조로 기존 디스플레이 생산 공정과 호환 가능하며, 대면적 광시야각을 확보해 3차원 디스플레이 기술을 한 단계 진보시켰다.
박종찬 박사(前 KAIST 물리학과 연구원, 現 미국 일리노이 대학교 연구원)가 1저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 3월 21일 자 온라인판에 게재됐다.
특별한 안경 없이 실감 나는 3차원 영상을 재생할 수 있는 홀로그래픽 디스플레이는 오랫동안 꿈의 기술로 여겨져 왔다. 그러나 현재 기술로는 구현할 수 있는 3차원 영상은 크기가 매우 작고 시야각 또한 크게 제한돼 현실적으로 구현이 어렵다.
3차원 홀로그램을 만들기 위해서는 빛의 세기와 빛이 진행하는 방향 모두 정밀하게 변조해야 한다. 빛 진행 방향의 정밀한 변조는 공간광파면 조절기에 의해 이뤄진다.
이때 빛이 진행하는 방향을 넓은 각도에서 정밀하게 제어하기 위해서는 공간광파면 조절기가 많은 픽셀로 이뤄져야 한다. 하지만 현재의 공간광파면 조절기의 픽셀 개수는 실감 나는 3차원 영상을 만들기에 턱없이 부족하다. 즉 빛을 매우 한정된 각도 내에서만 변조할 수 있는 것이다.
이런 조건에서 현재의 기술로 만들 수 있는 3차원 영상은 크기는 약 1센티미터(cm), 시청 가능한 시야각은 약 3도 이내로 제한돼 사실상 실용화가 불가능하다.
오랫동안 과학자들은 실용적인 홀로그램을 만들기 위해 여러 개의 공간광파면 조절기를 합쳐서 이용하거나, 사람이 인식할 수 있는 속도보다 훨씬 빠른 속도로 다량의 홀로그램 이미지들을 조합해 3차원 이미지를 만들었다. 하지만 이러한 방식은 복잡한 시스템을 뒷받침할 수 있는 연구실 환경에서만 구현됐다.
연구팀은 복잡한 광학계를 구성하는 대신 LCD패널과 비주기적으로 설계된 박막을 추가함으로써 기존 방식에 비해 성능이 크게 향상된 3차원 영상을 개발했다. 박막은 비주기적으로 배열된 수많은 구멍(핀홀)으로 구성되는데 핀홀은 빛을 넓은 각도로 퍼뜨리기 때문에 형성된 3차원 영상을 넓은 각도에서 볼 수 있다.
연구팀은 이론에 따라 설계된 박막을 기존 디스플레이의 LCD패널에 부착했고, 실험을 통해 약 3cm×3cm의 화면에서 약 30도의 시야각을 가지는 3차원 홀로그램 영상을 구현하는 데 성공했다.
이는 기존의 Full HD 홀로그래픽 디스플레이로 표현할 수 있는 공간대역폭 보다 약 400배 이상 향상된 결과이다. 또한 3가지 색(적색, 녹색, 청색)을 나타내며 60Hz로 작동하는 동적 홀로그램 역시 구현했다.
박용근 교수 연구팀이 지난 2016년 Nature Photonics지에 보고했던 기술은 산란을 이용해 홀로그래픽 디스플레이 품질을 향상시켰지만, 복잡한 계산과 큰 부피의 장비가 필요했었다. 이후 지속적인 기술 개발을 통해 본 연구에서는 일반 LCD 패널에 비주기적인 박막만 추가하면 제작할 수 있기 때문에, 기존 제조공정에 한 단계를 추가함으로써 상용화에 적합한 기술로 기대된다.
1 저자인 박종찬 박사는 “홀로그래픽 디스플레이의 상용화를 위해서는 넓은 시야각과 큰 영상 크기뿐 아니라 소형 폼팩터를 유지해야 한다. 이번 연구에서는 평면형 디스플레이에서 대면적 광시야각 홀로그래픽 디스플레이를 구현했다”라며 “스마트폰이나 태블릿 등 휴대용 기기에서 홀로그래픽 디스플레이를 구현하는 기반기술이 될 것으로 기대한다”라고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 실제 구현된 3차원 홀로그래픽 디스플레이와 전자현미경 이미지
그림2. 60 Hz로 동작하는 3차원 동적 컬러 홀로그램
2019.03.25 조회수 13231 -
조용훈, 최형순 교수, 반도체 내 양자 소용돌이 제어 기술 개발
우리 대학 물리학과 조용훈, 최형순 교수 공동 연구팀이 반도체 공진기 구조에서 ‘엑시톤-폴라리톤 응축’이라는 양자물질 상태를 형성 후 새 광학적인 방식으로 양자 소용돌이를 생성하고 제어하는 데 성공했다.
권민식 연구원과 오병용 박사가 공동 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 미국 물리학회가 발행하는 물리학 권위지인‘피지컬 리뷰 레터스 (Physical Review Letters)’ 2월호에 게재됐다.
태풍이 일거나 싱크대에서 물이 빠질 때 유체가 소용돌이를 일으키며 회전하는 것은 우리에게 익숙한 현상이다.
이와 마찬가지로 초유체, 초전도체 같은 양자 유체도 소용돌이를 일으키며 회전할 수 있는데, 이는 파동 함수의 위상(phase)이 소용돌이를 중심으로 원주율의 특정 배수가 되는 조건에서만 가능하다. 이렇게 소용돌이가 불연속적으로 양자화되는 현상을 양자 소용돌이라고 한다.
양자 소용돌이는 양자 유체역학을 연구하는 데 가장 핵심적인 요소 중 하나이다. 초유체의 에너지 손실 없이 회전할 수 있는 특성과 소용돌이의 회전 방향을 쉽게 뒤집을 수 없는 위상학(topology)적 안정성이 결합돼 있어 양자 소용돌이를 쉽게 생성하고 제어할 수 있다면 미래형 정보 소자로도 활용할 수 있다.
이런 면에서 반도체 내부에 존재하는 양자 유체인 엑시톤-플라리톤(이하 폴라리톤)은 특히 유리하다. 반도체에 밴드갭(전도체의 가장 아랫부분의 에너지 준위와 가전자대의 가장 윗부분의 에너지 준위 간의 에너지 차이)보다 높은 에너지를 갖는 빛을 쬐면 전자-전공 쌍이 형성되고 서로 강하게 이끌리며 엑시톤을 형성한다.
이러한 반도체에 높은 반사율을 갖는 거울 구조의 공진기를 결합하면 빛(광자)과 물질(엑시톤)이 강하게 상호작용하며 빛, 물질의 성질을 동시에 갖는 제3의 양자 물질을 만들 수 있는데 이를 폴라리톤이라 한다.
폴라리톤이 일정 밀도 이상 모이면 마치 하나의 입자처럼 행동하는 폴라리톤 응축 상태를 띌 수 있는데 이 때 폴라리톤은 초유체의 특성도 갖게 된다. 다른 초유체와 달리 잘 정립된 반도체 공정 기술과 광학적 제어 기술이 결합돼 있고, 초유체 생성 온도가 상대적으로 높아 그 응용 가능성이 기대되는 물질이다.
연구팀은 광-펌핑(원자나 이온이 빛을 흡수해 낮은 에너지의 상태에서 높은 에너지의 상태로 변화하는 현상)을 위해 사용한 레이저의 궤도 각운동량을 제어해 반도체 물질 내에 양자 소용돌이의 방향과 개수를 손쉽게 조절할 방법을 개발했다.
연구팀은 공진 파장이 아닌 빛으로 기존 양자 소용돌이 생성을 위한 까다로운 실험조건을 극복했다. 이 결과는 고체 상태에서 광학적 방법을 이용한 미래형 정보 소자와 복잡한 양자 현상을 이해할 수 있는 양자 시뮬레이터로의 활용 가능성을 높였다는 측면에서 큰 의의가 있다.
비공진 레이저의 궤도 각운동량이 폴라리톤의 기저 상태에까지 영향을 끼친다는 것을 밝힌 이번 연구 결과는 반도체 공진기 시스템에서 전자-정공 쌍의 에너지 완화 과정을 이해하는 데에 있어서도 중요한 결과이다.
KIST 송진동 박사 연구팀과의 협력으로 진행된 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자 및 신진연구자 지원사업을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 엑시톤-폴라리톤 초유체와 양자소용돌이 상태의 생성
그림2. 양자소용돌이 제어
2019.03.11 조회수 16305 -
박병국, 김갑진 교수, 고효율 스핀 신소재 개발
〈 박 병 국 교수, 김 갑 진 교수 〉
우리 대학 신소재공학과 박병국 교수와 물리학과 김갑진 교수 연구팀이 자성메모리(Magnetic Random Access Memory, MRAM) 구동의 핵심인 스핀전류를 효율적으로 생성하는 새로운 소재를 개발했다.
이번 연구는 ‘네이처 머티리얼즈(Nature Materials)’ 3월 19일자 온라인 판에 게재됐다.
이 연구는 고려대 이경진 교수, 미국국립표준연구소(NIST)의 Mark Stiles 박사 연구팀 등과 공동으로 수행됐다.
자성메모리는 외부 전원 공급이 없는 상태에서 정보를 유지할 수 있고 집적도가 높으며 고속 동작이 가능해 차세대 메모리로 주목받고 있다.
자성메모리의 동작은 스핀전류를 자성소재에 주입해 발생하는 스핀토크로 이뤄지기 때문에 스핀전류의 생성 효율이 자성메모리의 소모 전력을 결정하는 핵심 기술이다.
이번 연구에서는 강자성-전이금속 이중층이라는 새로운 소재 구조에서 스핀전류를 효과적으로 생성할 수 있음을 이론 및 실험을 통해 규명했다. 특히 이 구조는 기존 기술과 달리 생성된 스핀전류의 스핀 방향을 임의로 제어할 수 있다.
이 소재를 차세대 메모리로 주목받는 스핀궤도토크 기반 자성메모리에 적용하면 스핀토크 효율이 높아지고 외부자기장 없이 동작이 가능해 스핀궤도토크 자성메모리의 실용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.
스핀궤도토크 자성메모리는 고속 동작 및 비휘발성 특성으로 S램(D램에 대응하는 반도체 기억소자로 전원만 공급하면 기억된 정보가 계속 소멸하지 않는 램) 대비 대기전력을 획기적으로 감소시켜 모바일, 웨어러블, 사물인터넷용 메모리로 활용 가능하다.
이번 연구성과는 과학기술정보통신부 미래소재디스커버리사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 강자성-전이금속 이중층에서 스핀전류 생성 개략도
2018.04.13 조회수 17864 -
양찬호 교수, 전기적 위상 결함 제어기술 개발
〈 양 찬 호 교수, 김 광 은 박사과정 〉
우리 대학 물리학과 양찬호 교수 연구팀이 강유전체 나노구조에서 전기적인 위상 결함을 만들고 지울 수 있는 기술을 개발했다.
이 기술을 통해 전기적 위상 결함 기반의 저장 매체를 개발한다면 대용량의 정보를 안정적으로 저장할 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구는 포스텍 최시영 교수, 포항 가속기연구소 구태영 박사, 펜실베니아 주립대학 첸(Long-Qing Chen) 교수, 캘리포니아 대학 라메쉬 교수 등과 공동으로 수행됐다. 김광은 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 1월 26일자에 게재됐다.
위상학은 물체를 변형시켰을 때 물체가 가지는 성질에 대한 연구를 하는 학문으로, 원과 삼각형은 위상학적으로 동일한 물질이라고 할 수 있다.
2016년도 노벨 물리학상 발표 기자회견에서 노벨위원회는 위상학의 개념을 구멍이 한 개 뚫린 베이글 빵, 구멍이 없는 시나몬 빵, 유리컵 등에 비유했다. 시나몬 빵과 유리컵은 다르게 보이지만 구멍이 없다는 점만 따지면 위상학적으로 같은 물질이 된다. 하지만 구멍의 개수가 다른 베이글과 시나몬 빵은 위상학적으로 다른 물질이 되는 식이다.
즉 물질에서 위상학적이라 함은 연속적인 변형으로는 그 특성을 변화시킬 수 없는 절대적인 보존량을 말한다. 이러한 위상학적 특징을 이용해 정보저장 매체를 만들면 외부의 자극으로부터 보존되며 사용자의 의도대로 쓰고 지울 수 있는 이상적인 비휘발성 메모리를 제작할 수 있다.
강유전체와 달리 강자성체(자기적 균형이 깨진 상태, 외부 자기장을 제거해도 자기장이 그대로 남아있음)의 경우는 소용돌이 형태의 위상학적 결함 구조가 이미 구현됐다.
반면 외부 전기장 없이도 스스로 분극을 갖는 강유전체는 자성체에 비해 위상학적 결함 구조를 더 작은 크기로 안정시키고 더 적은 에너지를 이용해 조절할 수 있다는 장점이 있음에도 불구하고 초보적인 연구 단계에 머물러 있었다. 실험적으로 위상학적 결함 구조를 어떻게 안정화시키며 어떠한 방식으로 조절할 것인지에 대한 연구가 부족했기 때문이다.
연구팀은 문제 해결을 위해 강유전체 나노구조에서 비균일한 변형을 줘 위상학적 결함 구조를 안정시키는 데 성공했다. 연구팀은 강유전체 나노접시(ferroelectric nanoplate) 구조를 특정 기판 위에 제작해 접시의 바닥면에는 강한 압축 변형을 주는 동시에 옆면과 윗면은 변형에서 자유로운 구조를 만들었다.
이러한 구조는 방사형으로 압축변형 완화(Compressive strain relaxation)가 일어나 격자의 변형이 오히려 강유전체의 소용돌이 구조를 안정화시키게 된다. 연구팀은 이번 연구가 고밀도, 고효율, 고안정성을 갖춘 위상학적 결함기반 강유전 메모리에 핵심적인 원리를 제시했다고 말했다.
양 교수는 “강유전체는 부도체이지만 위상학적 강유전 준입자가 국소적으로 전자 전도성을 수반할 수 있어 새로운 양자소자 연구로 확대될 수 있을 것이다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 창의연구지원사업, 선도연구센터지원사업, 글로벌프론티어사업 등의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 전기적 위상 결함 개수를 조절하여 만든 5가지의 다른 위상 구조
2018.02.08 조회수 32270 -
공수현 박사(물리학과 졸업), 사이언스 紙에 논문 게재
〈 공 수 현 박사 〉
우리 대학 물리학과 졸업생(지도교수 조용훈)으로 네덜란드 델프트 공과대학교에서 박사 후 연구원으로 재직 중인 공수현 박사가 빛의 방향을 이용해 반도체 내부의 스핀을 제어하는 기술을 개발했다.
공 박사의 연구 성과는 세계적인 학술지 ‘사이언스(Science)’ 26일자에 게재됐다.
반도체 내부의 전자는 스핀이라는 양자 상태를 갖게 되는데 이 상태를 이용하면 더욱 많은 정보를 처리할 수 있는 차세대 전자소자를 개발할 수 있다.
하지만 기존의 반도체 스핀 소자는 상온에서 스핀 정보를 유지하기 어렵다는 한계가 있다.
공 박사는 반도체의 스핀 상태와 빛의 방향이 일대일로 연결된 소자를 개발했다. 즉, 반도체 속 스핀 회전이 반대방향이 되면 빛의 방향도 반대방향으로 진행하기 때문에 빛의 방향만으로 반도체 스핀 정보를 제어할 수 있게 된다.
빛은 주변 환경에 대해 매우 안정적이기 때문에 반도체 스핀 정보를 빛으로 전환시켜주면 먼 거리에서도 스핀 정보를 전달할 수 있다.
또한 수백나노미터 지름의 금속 나노막대를 이용하면 빛의 파장보다 더 작은 영역에 빛을 집속시킬 수 있고 이 빛은 금속 나노막대를 따라 진행된다.
금속 나노막대 근처에서는 빛의 편광 방향이 회전을 하는 광학 스핀을 형성하고, 빛의 진행 방향을 바꾸면 광학 스핀의 회전 방향이 바뀌게 된다. 즉, 광학스핀의 회전 방향과 빛의 진행 방향이 일대일 관계가 있음을 증명했다.
이 때 생기는 광학 스핀은 같은 방향으로 회전하는 반도체 속 스핀과 상호작용할 수 있는데, 스핀 방향은 유지한 채 빛의 스핀이 반도체 스핀으로 전환되거나 그 반대의 현상이 발생할 수 있다.
따라서 반도체 스핀 회전 방향도 빛의 진행 방향으로 일대일 전환이 돼 빛의 경로를 이용해 반도체 스핀 정보를 제어하고 통신할 수 있는 새 개념의 스핀네트워크 소재를 개발할 수 있다.
연구팀은 실험적인 구현을 위해 2차원 반도체 물질인 이황화텅스텐 박막을 이용했고 2차원 반도체 스핀 정보가 90% 이상의 효율로 빛의 방향정보로 전환되는 것을 증명했다.
공 박사는 “이번 연구결과는 상온에서 자기장 없이도 반도체의 스핀을 조절할 수 있는 방법이기 때문에 향후 스핀관련 연구 및 소자에 활용할 수 있다”며 “궁극적으로 양자화된 빛인 광자를 이용해 반도체의 단일 스핀을 조절해 양자컴퓨팅 개발에 응용하는 것이 목표이다”고 말했다.
공수현 박사는 2009년 우리 대학 물리학과 대학원에 입학 후 조용훈 교수의 지도를 받아 2015년 박사학위를 취득했으며 현재 네덜란드 델프트 공과대학교(Delft University of Technology) 카블리 나노과학연구소 Kobus Kuipers 그룹에서 박사 후 연구원으로 일하고 있다.
2018.01.26 조회수 15169