국내 연구진이 차세대 반도체 소자 설계의 기반이 되는 물리학 표준이론의 대안(alternatives)을 제시했습니다.
한국과학기술원 김용훈 교수 연구팀이 현대 양자수송 표준이론의 대안을 제시해 나노소자의 에너지 특성까지 정확히 예측할 수 있는 이론을 확립하고 소프트웨어로 구현했습니다. 해당 연구는 <Advanced Science>에 게재됐습니다.
양자적 특성으로 다르게 움직이는 나노소자
일상적으로 쓰는 가전제품에서는 전자가 입자적 성격을 띠고 옴의 법칙으로 대표되는 고전양식으로 흐르지만 최신 전자제품에 들어있는 첨단 나노소자에서는 전자가 양자적 특성을 띠고 전혀 다르게 움직입니다.
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 반영해 소자의 동작을 미리 예측하는 과정이 필수적입니다.
20세기 후반에 확립된 양자수송에 대한 표준이론은 나노소자를 채널영역과 그에 연결된 무한한 두 개의 전극으로 구성된 열린 양자계(open quantum system)로 기술합니다. 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 없었습니다. 이에 에너지 소자의 설계에 활용하기에는 한계가 존재했습니다.
어떻게 한계 극복했나
연구팀은 이 한계를 극복하고자 비평형 상태의 나노소자를 닫힌 양자계로 보고, 이 안에서의 양자수송 현상을 한 쪽 전극에서 다른 쪽 전극으로 전자가 광학 여기(optical excitation) 되는 현상에 대응시키는 관점을 제안했습니다.
또한 이를 통해 소자의 에너지를 최소화하는 방식의 이론을 개발 하고 소프트웨어로 구현했습니다.
이 계산방식을 활용하면 소자의 전류-전압 특성 이외 에너지 특성까지 기술할 수 있으며, 특히 배터리 같은 에너지 저장소자, 촉매나 연료전지 같은 에너지 변환소자 등 원자 수준 에너지 소자 설계의 중요한 실마리가 될 것으로 예상됩니다. 나아가 슈퍼컴퓨터를 활용한 차세대 전자소자뿐만 아니라 신개념 에너지 소자, 나아가 양자수송 특성이 극대화 되는 양자컴퓨팅 소자 등의 연구에도 실마리가 될 것으로 기대됩니다.
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