▲ 왼쪽부터 서울대학교 이관형 교수, 권준영 박사. (사진제공=서울대학교)     © 한국건축신문

서울대학교 공과대학 재료공학부 이관형 교수팀은 2차원 재료 이종 구조로 게이트 전압 조절과 다중 동작 모드가 가능한 ‘발광 전계 효과 트랜지스터’를 개발했다고 밝혔다.

이 제품은 다중동작모드로 인해 3진법 소자로 활용 가능할 뿐만 아니라 차세대 광전자 회로 등 다양한 분야에서 활용 가능한 세계 최고 효율의 발광소자다.

◆2차원 물질 기반 발광소자 중에서 최고의 발광효율을 기록
이 소자는 지금까지 존재하는 2차원 물질 기반 발광소자 중에서 최고의 발광효율을 기록했으며, 게이팅(게이트를 통해 채널 내에 전압을 인가하는 일)으로 다중 모드의 동작이 가능함을 증명해 세계적인 과학 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 2020년 9월 온라인 출판되었고 학술지 표지 이미지로 선정됐다.

2차원 반도체 물질인 전이금속 칼코겐화합물(Transition metal dichalcogenides :  TMD)은 엑시톤(전자와 홀이 결합돼 있는 입자)의 높은 결합에너지와 원자 단위로 얇은 두께를 갖기 때문에 높은 효율의 빛 방출이 가능하다.

◆전계제어 도핑이 가능한 그래핀을 전극으로 사용
또한 이 물질들의 전기적 특성도 매우 우수해 차세대 광전자 소자를 위한 유망 재료로 각광받고 있다. 하지만 지금까지는 TMD에 전자와 홀을 동시에 효율적으로 주입하는 것이 어려워 이를 기반으로 제작된 발광 소자들은 낮은 발광 효율을 보여 왔다.

이관형 교수팀과 고려대 KU-KIST 융합대학원 이철호 교수팀은 이러한 문제점을 극복하기 위해 전계제어 도핑이 가능한 그래핀을 전극으로 사용하고 전자와 홀의 수송이 모두 가능한 양극성 TMD의 한 종류인 단일층 WSe2를 사용해 2차원 이종 구조 기반 다중 동작 모드의 고효율 발광 전계 효과 트랜지스터(Light emitting field effect transistors)를 개발했다.

금속과 반도체를 접합시키면 둘 사이에 큰 에너지 장벽이 필수적으로 생기는데, 금속성을 지니고 있는 그래핀과 반도체인 WSe2 사이에도 예외는 아니다.

이 교수팀은 이 장벽을 전자와 정공을 선택적으로 주입시킬 수 있는 키로 활용했다. 그래핀이 외부 전계에 의해 도핑이 가능하므로 이 장벽 또한 조절이 가능해져 때로는 전자에 대한 장벽을 높이거나 홀에 대한 장벽을 높여 반대 전하가 주입되는 것을 차단했다.

그러므로 두 그래핀 전극에서 각각 WSe2에 들어오는 전자와 홀의 밀도를 같게 만들어 최적의 발광 환경을 조성할 수 있었고 WSe2 발광층에 주입되는 전자, 정공 수를 최적화해 상온에서 높은 발광 효율을 달성했다.

뿐만 아니라 이 트랜지스터는 게이트 제어를 통해 빛의 발광과 전류의 흐름을 독립적으로 제어할 수 있어 차세대 광전자 회로에 적용 가능하다.

이관형 교수는 이번 성과에 대해 “5년 동안 오랜 연구를 통해 그래핀과 같은 2차원 물질로만 광전자소자를 구현하고 그 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있었다. 그래핀의 일함수 제어를 통한 2차원 물질로만 이뤄진 광전자 소자는 다양한 기능을 함께 구현할 수 있어 차세대 광전자 회로에서 사용할 수 있어 미래 소자에 활용 가능할 것으로 기대한다”고 소감을 말했다.

이 논문 작성에 참여한 연구진은 권준영(연세대 : 현 삼성종기원), 신준철·류희제(서울대), 이재윤(고려대), 서동제(미네소타대) Kenji Watanabe·Takashi Taniguchi(국립재료과학연구소 : 일본) 김영덕(경희대), James hone(컬럼비아대), 이철호(고려대 : 교신저자), 이관형(서울대 : 교신저자)

▲출판 논문 : Multi-operation mode light-emitting field-effect transistors based on van der Waals heterostructure.
/이민우 기자