과학기술정보통신부는 고려대 박홍규 교수 연구팀이 오직 빛으로만 전기 신호를 제어하고 효율적으로 전류를 증폭할 수 있는 새로운 나노선 트랜지스터를 최초로 개발했다고 밝혔다.

연구팀은 실리콘 나노선에 다공성 실리콘을 부분적으로 삽입하여, 빛만으로 전기 신호를 효과적으로 제어할 수 있는 새로운 개념의 나노선 트랜지스터를 개발해 기존의 복잡한 반도체 설계 및 제작 공정을 획기적으로 줄일 수 있게 되었다.

나노선은 단면의 지름이 수 나노미터에서 수백 나노미터이고 길이는 수십 마이크로미터인 1차원 형태의 나노 구조체. 레이저나 트랜지스터, 메모리, 화학감지용 센서 등 다양한 분야에 쓰이며 트랜지스터는 전자회로의 구성요소이며 전류나 전압흐름을 조절하여 전기 신호의증폭, 스위치 역할을 하는 반도체 소자이다.

이 연구내용은 세계적인 학술지 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology) 8월 8일자에 게재되었다.

(논문명 : Photon-triggered nanowire transistors)

다공성 실리콘은 내부에 수많은 작은 구멍이 있어 전기가 거의 흐르지 않는데 연구팀은 이러한 나쁜 전기적 특성을 역으로 이용해, 빛을 쪼여주면 흐르지 않던 전류가 엄청나게 증폭한다는 점을 최초로 발견했다.

또 하나의 실리콘 나노선 안에 두 개의 다공성 실리콘을 갖는 트랜지스터를 제작하여 새로운 논리 회로를 구현하고, 다공성 실리콘을 여러 개 포함하는 얇은 나노선 트랜지스터를 제작하여, 1 마이크로미터 미만의 높은 분해능으로 매우 약한 빛을 검출할 수 있는 고성능 광검출기(광신호를 검출하여 전기 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 소자)를 구현했다.

박홍규 교수는 “이 연구는 다공성 실리콘을 원하는 곳에 배치시키고 빛을 필요한 위치에 쪼여주기만 하면 나노선 하나만으로 모든 전자 기기들을 간단히 제작할 수 있음을 보여준 것이다. 이로서 매우 민감한 고해상도 카메라, 빛으로 빠르게 계산이 가능한 신개념의 컴퓨터 개발 등에 적용이 가능할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

트랜지스터는 현대 전자기기를 구성하는 가장 기본 부품 중 하나로서, 전기 신호의 증폭 작용과 스위치 역할을 한다. 기존 트랜지스터의 동작 효율을 높이기 위해 나노 크기로 제작하거나 빛을 쪼여주는 등의 연구가 진행 중이지만, 복잡한 공정과 낮은 수율로 인해 상용화가 어려운 상황이다.

한편 현재까지의 트랜지스터 연구는 전기 신호로 전기적 특성을 어떻게 제어할 수 있는지에 초점이 맞춰져 있었고, 빛은 그 효과를 증대시키기 위한 보조적 수단일 뿐이었다.

반면 이번 연구에서는 전기적 특성을 제어하는 방법으로 오직 빛만을 이용함으로써 전기 신호를 더욱 쉽고 효율적으로 제어할 수 있었다. 특히 전기 신호가 천만배까지 증폭됨으로써 논리 회로 및 광검출기를 손쉽게 개발할 수 있었다. 높은 비용적, 기술적 노력 없이도 고성능의 전자 소자를 제작할 수 있음을 실증했다.