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이차원 반도체, 전류증폭 원인 찾았다..이차원 초박막 반도체소자 응용

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고전계((高電界)하 전류 증폭하는 ‘애벌런시’ 현상 최초 규명
KIST·서울대 연구.."차세대 웨어러블 응용소자 구현에 크게 기여"

[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 최근 전자 소자의 크기가 수 마이크로미터(㎛, 100만분의 1m) 이하로 작아졌다. 이렇게 되자, 반도체 층이 강한 전기장 환경에 노출될 때는 반도체 내부의 높은 전류에 의한 열로 인해 소자 동작에 실패하는 사례가 자주 발생했다. 하지만 원인이 명확하게 밝혀지지 않은 상태였다.

이번에 국내 연구진이 ‘꿈의 소재’ 그래핀(Graphene)과 같은 이차원 물질을 활용한 이차원 반도체의 점점 작아진 소자 크기로 인해 발생할 수 있는 이런 물리적 현상, 전기적 특성 변화에 대한 이해도를 높인 연구결과를 내놨다.

30일 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)에 따르면 KIST 광전하이브리드연구센터 정승준 박사팀은 서울대 물리천문학부 이탁희 교수팀과의 공동연구에서, 강한 전기장 하에서 이차원 신소재인 이황화 몰리브덴(MoS2) 전계효과트랜지스터의 임계전압 후 전류 증폭이라는 독특한 물리적 현상의 원인이 ‘전자사태 항복(애벌런시·avalanche breakdown)’ 현상임을 밝혔다.

이황화 몰리브덴(MoS2) 전계효과트랜지스터에서의 애벌런시(아발란체) 현상 연구 : (a) 채널 길이에 따른 아발란체 현상. (b) 아발란채 현상 설명을 위한 밴드다이어그램. (c) MoS2 두께에 따른 임계전기장(ECR). (d) 충격이온화율 (Impact Ionization Rate).

‘전자사태 항복’이란 반도체 속의 강한 전계에 의해 새로운 캐리어를 발생하는 과정이 반복, 이때 생기는 전류의 증폭에 의해 현저하게 전기저항이 작아지는 상태다.

전계(電界)효과트랜지스터((electric) field-effect transistor·FET)란 표면적에 비해 아주 얇은 박막(薄膜·thin film) 형태의 반도체에 흐르는 전류에 대해 이와 수직인 전계(電界·electric field)를 가해서 전자 흐름을 다른 전극으로 제어하는 전압 제어형 반도체를 말한다.

특히 연구진은 전류 증폭의 임계전압은 이차원 반도체의 두께에 따라 변화한다는 것을 규명했다. 두께가 두꺼울 때 임계전압이 낮아지고 두께가 얇을 때 임계전압이 높아진다는 것이다.

이차원 신소재 중 이황화 몰리브덴은 박막화가 용이해 초박막 웨어러블 전자소자에 응용할 수 있다는 장점이 있다. 또 잘 휘어지고, 투명한 속성, 높은 전하 이동속도를 갖는 차세대 웨어러블 반도체 소재로 크게 주목 받고 있다.

정승준 박사는 “향후 초박막 이차원 반도체와 전자재료의 기반이 될 차세대 웨어러블 응용소자 구현에 크게 기여할 것으로 기대된다”고 이번 연구의 의의를 밝혔다.

과학기술정보통신부 지원으로 KIST 기관고유사업과 한국연구재단 창의연구단 과제로 수행된 이번 연구결과는 ‘ACS Nano’ 최신호에 게재됐다.

◆ 연구자가 직접 전하는 ‘연구이야기’ 

논문 교신저자인 한국과학기술연구원 정승준(왼쪽) 선임연구원과 서울대 물리천문학부 이탁희(가운데) 교수, 사진 왼쪽은 제1저인 서울대 물리천문학부 박진수 박사과정 연구원 [사진제공=KIST]

- 이번 성과 뭐가 다른가.

▲ 게재 논문명은 ‘Two-Dimensional Thickness-Dependent Avalanche Breakdown Phenomena in MoS2 Field-Effect Transistors under High Electric Fields’이다. 이 논문에서 우리는 이차원 물질 기반의 전계효과트랜지스터에서 물질 두께에 따라 변화하는 아발란체 현상을 최초로 관측하고 분석했다. 또 이차원 물질에서 전자수송방식이 현재까지 정확하게 설명되지 못했는데, 이차원 물질에서의 임계전기장-밴드갭(critical electric field-band gap) 관계가 ‘band-like 전자수송방식’으로 설명되는 삼차원물질에서의 관계와 잘 들어맞는 것을 관측했다.

 

- 어디에 사용할 수 있나.

▲ 이차원 물질들을 이용해 ‘아발란체 포토다이오드’를 제작한다면 웨어러블한 투명 고효율 광검출기로 사용될 수 있다. 또한 아발란체 특성을 이용한 전자 소자의 전기적 특성을 조절하는 데 사용될 수 있을 것으로 기대한다.

 

- 연구를 시작한 계기는.

▲ 그래핀에 강한 전기장을 가하게 되면 열에 의해 그래핀이 데미지(damage, 손상)를 받으면서 그래핀 나노갭을 만들 수 있는 ‘Electo-burning 방법’이 기존에 있었다. 이 아이디어로부터 이차원 반도체 나노갭을 만들어 보기 위해 이번 연구를 시작했다. 이후 열에 의해 이차원 반도체가 물리적 데미지를 받기 전, 전류가 급증하는 현상을 발견하고, 이에 대한 원인을 분석하기 시작했다.

 

- 기대효과와 실용화를 위한 과제는.

▲ 이번 연구를 통해 이차원 물질의 두께에 따른 아발란체 현상을 이해할 수 있었다. 물질의 두께가 얇으면 아발란체 현상을 관찰하기 위해 강한 전기장이 요구되지만 충격 이온화율이 높은 장점이 있다. 반면에 물질의 두께가 두꺼우면 아발란체 현상을 관찰하기 위해 비교적 낮은 전기장이 필요하지만 충격이온화율이 낮은 단점이 있다. 이처럼 반도체층의 두께 조절을 통해 n형 이차원 반도체물질과 p형 이차원 반도체로 구성된 아발란체 포토다이오드의 물성을 조절할 수 있다. 또 전류가 증가함에 따라 발생하는 열에 대한 분석을 통해 이차원 반도체의 소자 열화 현상을 연구할 수 있을 것으로 기대한다.

 

 

kimys@newspim.com

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박수현 43.5% vs 김태흠 43.9% [서울=뉴스핌] 송기욱 기자 = 6·3 지방선거 충남지사 선거에 출마한 박수현 더불어민주당 후보와 김태흠 국민의힘 후보가 오차 범위 내 초접전을 벌이고 있는 것으로 조사됐다. 또 충남 도민 10명 중 8명 이상이 이번 지방선거에 투표하겠다는 의향을 밝혔다. ◆ 박수현 43.5% vs 김태흠 43.9%...오차 범위 내 0.4%p 초접전 종합뉴스통신사 뉴스핌 의뢰로 여론조사 전문기관 리얼미터가 지난 18일부터 19일까지 충남 거주 만 18세 이상 남녀 806명을 대상으로 실시한 충남지사 후보 지지도 조사 결과 박수현 후보 43.5%, 김태흠 후보 43.9%였다. 두 후보 간 격차는 0.4%p(포인트)로 오차 범위 안이다. '없음'은 4.6%, '잘 모름'은 8.1%였다. 지역별로는 김 후보가 천안시에서 45.0%를 기록해 박 후보(42.7%)보다 높게 조사됐다. 서남권(보령시·서산시·서천군·예산군·태안군·홍성군)에서도 김 후보는 48.8%로 박 후보(39.2%)보다 높았다. 반면 박 후보는 아산·당진시에서 47.1%를 기록하며 김 후보(37.5%)에 우세했고, 동남권(공주시·논산시·계룡시·금산군·부여군·청양군)에서도 46.0%로 김 후보(43.2%)를 웃돌았다. 연령별로는 김 후보가 만 18~29세에서 40.8%를 기록해 박 후보(31.5%)보다 높았다. 60대에서도 김 후보는 53.5%로 박 후보(41.2%)보다 높았고, 70세 이상에서는 김 후보 61.3%, 박 후보 26.9%였다. 반면 박 후보는 30대에서 40.2%로 김 후보(39.2%)를 소폭 웃돌았다. 40대에서는 박 후보 61.7%, 김 후보 29.2%였고, 50대에서는 박 후보 56.3%, 김 후보 36.0%로 크게 앞섰다.  성별로는 남성층에서 김 후보가 47.1%를 기록해 박 후보(44.1%)보다 높았다. 여성층에서는 박 후보 42.8%, 김 후보 40.5%였다.  정당 지지층별로는 집권 여당인 더불어민주당 지지층의 84.6%가 박 후보를 지지한다고 답했다. 제1야당인 국민의힘 지지층의 89.4%는 김 후보를 택했다. 조국혁신당 지지층에서는 박 후보 64.5%, 김 후보 24.0%였다. 개혁신당 지지층에서는 김 후보 48.5%, 박 후보 31.0%였다. 투표 의향별로는 '반드시 투표하겠다'는 적극 투표층에서 박 후보가 48.8%로 김 후보(45.2%)보다 높았다. 반면 투표 의향층 전체에서는 김 후보 46.2%, 박 후보 43.8%였다. 투표 의향이 없다는 응답층에서는 박 후보 44.6%, 김 후보 27.7%였다. ◆ 충남도민 83.7% "지방선거 투표하겠다" 투표 의향은 83.7%가 투표하겠다고 답했다. '반드시 투표' 66.1%, '가급적 투표' 17.7%였다. 반면 '별로 투표할 생각 없음' 6.0%, '전혀 투표할 생각 없음' 8.0%였다. 권역별 투표 의향은 동남권 85.4%, 서남권 84.1%, 천안시 83.6%, 아산·당진시 82.3%였다. 전 권역에서 투표 의향층은 80%를 넘었다. 연령별로는 60대가 91.3%로 가장 높았고, 50대 89.7%, 70세 이상 88.9%, 40대 88.3% 순이었다. 뒤이어 30대는 72.5%, 만 18~29세 63.1%였다. 이번 여론조사는 휴대전화 가상(안심)번호를 무작위로 추출해 자동응답조사(ARS)방식으로 진행됐다. 표본오차는 95% 신뢰수준에 ±3.5%p, 응답률은 8.2%다. 2026년 4월 말 행정안전부 주민등록 인구를 기준으로 성별, 연령별, 지역별 가중치(림가중)를 적용했다. 자세한 사항은 중앙선거여론조사심의위원회 홈페이지를 참조하면 된다. oneway@newspim.com 2026-05-21 05:00
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긍정 영향 종목

  • Lockheed Martin Corp. Industrials
    우크라이나 안보 지원 강화 기대감으로 방산 수요 증가 직접적. 미·러 긴장 완화 불확실성 속에서도 방위산업 매출 안정성 강화 예상됨.

부정 영향 종목

  • Caterpillar Inc. Industrials
    우크라이나 전쟁 장기화 시 건설 및 중장비 수요 불확실성 직접적. 글로벌 인프라 투자 지연으로 매출 성장 둔화 가능성 있음.
이 내용에 포함된 데이터와 의견은 뉴스핌 AI가 분석한 결과입니다. 정보 제공 목적으로만 작성되었으며, 특정 종목 매매를 권유하지 않습니다. 투자 판단 및 결과에 대한 책임은 투자자 본인에게 있습니다. 주식 투자는 원금 손실 가능성이 있으므로, 투자 전 충분한 조사와 전문가 상담을 권장합니다.
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