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2025-09-16 (화)

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[신소재 신기술(196)] 차세대 나노 스위치 개발⋯전자기기 발열 줄여 반도체 효율 혁신 기대

전자기기 발열 문제를 근본적으로 줄일 수 있는 차세대 나노공학 스위치가 개발돼 반도체 및 전자산업 전반에 큰 파급력을 미칠 전망이다. 미국 미시간대 연구팀은 실온에서 '엑시톤(exciton·전자와 정공이 결합한 중성 입자)'의 흐름을 제어하는 최초의 트랜지스터형 나노 스위치를 제작했다고 미시간엔지니어링뉴스와 웹사이트 Phys.org, 과학 전문매체 인터레스팅엔지니어링 등이 전했다. 해당 연구는 나노과학회 대표 국제학술지 ACS Nano(미국화학회)에 발표했다. 엑시톤은 전하 없이 에너지를 운반하는 양자 준입자이다. 다시 말하면 엑시톤은 빛이 반도체 내 전자를 자극하여 양전하를 띤 정공을 남길 때 형성된다. 전자와 정공은 한 쌍으로 함께 이동하며 중성 에너지 패킷을 형성한다. 연구팀이 개발한 엑시톤 나노스위치는 궁극적으로 기존 전자기기를 엑시토닉스(excitonics)로 대체하는 길을 열 수 있다. 연구팀은 텅스텐 다이셀레나이드(WSe₂) 단원자층을 이산화규소(SiO₂) 기반 나노 리지 구조와 결합한 '나노공학 광-엑시토닉(NEO) 장치'를 통해 기존 전자 스위치 대비 열 손실을 66% 줄였다. 또한 상온에서 19데시벨(dB) 이상의 온·오프 비율을 달성, 현존 상용 최고 수준을 넘어서는 성능을 입증했다. 엑시톤은 전하를 띠지 않기 때문에 전하 이동에 따른 저항과 발열을 최소화해 차세대 반도체·전자소자의 에너지 효율을 획기적으로 높일 수 있는 대안으로 주목받아 왔다. 그러나 제어가 어렵다는 한계로 상용화가 지연돼 왔다. 이번 연구는 빛을 방출하지 않는 '다크 엑시톤'과의 상호작용을 활용해 엑시톤 이동 거리를 최대 400%까지 늘리고 방향성을 확보하는 데 성공했다. 엑시톤은 이미 태양 전지와 유기 LED를 가능하게 하고, 식물의 광합성을 촉진하는 등 여러 기술에서 중요한 역할을 하고 있다. 업계 전문가들은 이번 성과가 반도체 집적도 한계와 전력 효율 문제를 동시에 해소할 수 있는 '게임체인저'가 될 수 있다고 평가했다. 고성능 연산용 반도체, 모바일 기기, 데이터센터 등 전력 소모와 발열 억제가 핵심인 산업 분야에 곧바로 응용될 수 있다는 것이다. 연구진은 "맞춤형 구조 설계를 통해 엑시톤 수송을 제어할 수 있음을 입증했다"며 "전자와 광자의 장점을 결합한 차세대 소자 상용화를 앞당기는 기반 기술이 될 것"이라고 설명했다.
- IT/바이오
2025-09-16 14:20:00
[신소재 신기술(66)] 혁신적인 '빛 수확 시스템', 태양 전지 효율 38% 개선

독일 과학자들이 태양 전지의 효율성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 혁신적인 광 수확 시스템을 개발했다. 율리우스 막시밀리안 대학교(JMU) 연구팀은 전체 가시광선 스펙트럼을 흡수하여 태양 에너지를 보다 효율적으로 활용할 수 있는 새로운 시스템을 설계했다고 인터레스팅엔지니어링과 인티펜던트 등 다수 외신이 27일(현지시간) 보도했다. 연구 환경에서 실험 결과, 이 시스템은 입사광의 38%를 형광으로 변환하여, 기존 시스템 대비 비약적인 발전을 이루었다. 현재 상용화된 태양 전지에 사용되는 광 수집 시스템은 효율성이 낮다. 실리콘 등 무기 반도체 재료로 제작되어 가시광선 전체 스펙트럼을 흡수할 수 있지만, 흡광도가 매우 낮아 더 많은 빛을 흡수하기 위해 두꺼운 실리콘 층이 필요하며, 이는 태양 전지의 무게 증가로 이어진다. 연구팀은 광합성을 통해 넓은 스펙트럼의 빛을 활용하는 식물과 박테리아 등 자연 시스템에서 영감을 얻어, 네 가지 메로시아닌 염료를 사용하여 빛 수확 안테나를 설계했다. 이 염료들은 정교하게 접히고 쌓여 초고속으로 에너지를 효율적으로 전달할 수 있다. 이 혁신적인 빛 수확 시스템 프로토타입은 네 가지 염료 성분이 흡수하는 파장(자외선 U, 적색 R, 보라색 P, 청색 B)을 따서 URPB라고 명명됐다. 보도자료에 따르면 연구팀은 광 수확 시스템 성능을 검증하기 위해 형광 양자 수율(시스템이 형광 형태로 방출하는 에너지의 양)을 측정했다. 네 가지 염료를 개별적으로 사용할 경우, 빛 에너지의 약 1~3%만 수집할 수 있다. 하지만 새로운 시스템에서는 이들을 통합적으로 활용하여 빛의 38%를 유용한 에너지로 변환하는 데 성공했다. JMU의 프랑크 뷔르트너 박사는 "이 시스템이 무기 반도체와 유사한 구조를 가지고 있어 '가시광선 범위 전체에 걸쳐' 빛을 흡수할 수 있다"고 설명했다. 또한 유기 염료의 높은 흡수율을 기반으로 자연광 수확 시스템처럼 얇은 층을 사용하여 상당한 양의 빛 에너지를 수집할 수 있다고 강조했다. 이변 연구 결과는 '헤테로메릭 염료 폴더머를 위한 초분자 엑시톤 밴드 엔지니어링에 의한 범색광 수확 안테나'라는 제목으로 '화학 저널(Chem)'에 게재됐다.
- 포커스온
2024-06-28 16:39:00
[신소재 신기술(30)] 190% 양자 효율 달성! 태양 전지 혁신 이끌 새로운 양자 물질 개발

미국 펜실베이니아주 리하이 대학교의 연구진은 태양전지 패널의 효율을 획기적으로 높일 수 있는 잠재력을 지닌 소재를 개발했다. 해당 물질을 태양 전지의 활성층으로 사용한 프로토타입은 평균 80%의 광전 흡수율, 높은 광여기 전하체 생성 속도, 최대 190%에 달하는 외부 양자 효율 (EQE)을 나타냈다고 과학 기술 전문 매체 테크익스플로어가 11일(현지시간) 전했다. 이는 실리콘 기반 물질의 이론적 쇼클리 퀴서(Shockley-Queisser) 효율 한계를 훨씬 뛰어넘는 수치이며, 태양전지용 양자 물질 분야를 새로운 차원으로 끌어올린 것이다. 쇼클리 퀴서 한계는 태양전지의 최대 효율을 결정하는 이론적 모델이다. 이 이론은 19661년에 물리학자 윌리엄 쇼클리에 의해 개발됐다. 이 한계는 단일 띠 구조를 가진 반도체 재료를 사용하는 태양전지의 최대 전력 변환효율을 설명하고 있다. 쇼클리 퀴서 한계는 이상적인 조건하에서 단일 접합 실리콘 태양전지의 최대 효율을 33%로 예측한다. 연구 논문을 저술한 치네두 에쿠마(Chinedu Ekuma) 리하이 대학교 물리학 교수는 "이 연구는 지속 가능한 에너지 솔루션에 대한 이해와 개발에서 중요한 도약을 의미하며, 가까운 미래에 태양 에너지 효율과 접근성을 재정의할 수 있는 혁신적인 접근 방식을 강조한다"라고 말했다. 에쿠마 교수와 리하이 박사과정 학생 스리하리 카스투아르가 함께 작성한 이번 연구 논문은 '사이언스 어드밴스' 저널에 발표됐다. 이 소재의 효율성은 주로 소재의 전자 구조 내에 태양 에너지 변환에 이상적인 방식으로 배치된 특정 에너지 레벨인 '중간 대역 상태'에 기인한다. 이러한 상태는 최적의 서브밴드 갭(물질이 태양광을 효율적으로 흡수하고 전하 캐리어를 생성할 수 있는 에너지 범위) 내에서 약 0.78 및 1.26전자볼트의 에너지 레벨을 갖는다. 또한 이 물질은 전자기 스펙트럼의 적외선 및 가시광선 영역에서 높은 흡수율을 보여 특히 우수한 성능을 발휘한다. 기존 태양 전지에서 최대 EQE는 100%이며, 이는 흡수된 태양광 한 개당 전자 하나를 생성 및 수집하는 것을 의미한다. 하지만 최근 몇 년 동안 개발된 일부 첨단 물질과 구성은 고에너지 광자로부터 둘 이상의 전자를 생성 및 수집할 수 있는 능력을 보여주었으며, 이는 100%를 초과하는 EQE를 나타낸다. 이러한 다중 엑시톤 생성(MEG) 물질은 아직 상용화되지 않았지만 태양 에너지 시스템의 효율을 크게 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 리하이대학교에서 개발한 물질의 경우, 중간대 상태는 반사 및 열 생성을 포함하여 기존 태양 전지에서 손실되는 광자 에너지를 포집할 수 있다. 연구팀은 층을 이룬 2차원 물질 사이의 원자적으로 작은 틈인 '반 데르 발스 갭(van der Waals gap)'을 활용하여 새로운 물질을 개발했다. 반 데르 발스 갭은 분자나 이온을 가둘 수 있다. 재료 과학자들은 일반적으로 다른 원소를 삽입하거나 '인터칼레이트(intercalate)'하여 재료 특성을 조정하는 데 이 틈새를 사용한다. 리하이대학교 연구팀은 새로운 물질을 개발하기 위해 게르마늄 셀레나이드(GeSe)와 주석 황화물(SnS)로 구성된 2차원 물질 층 사이에 0가 구리 원자를 삽입했다. 컴퓨터 응집 물질 물리학 전문가인 에쿠마 교수는 이 시스템의 광범위한 컴퓨터 모델링을 통해 이론적 가능성을 입증한 후 개념 증명으로 프로토타입을 개발했다. 그는 "빠른 반응과 향상된 효율은 첨단 태양광 응용 분야에 사용할 수 있는 양자 물질로서 Cu-인터칼레이티드 GeSe/SnS의 잠재력을 강력하게 보여주며, 태양 에너지 변환의 효율을 개선할 수 있는 길을 제시한다"라면서 "이는 전 세계 에너지 수요를 해결하는 데 중요한 역할을 할 차세대 고효율 태양전지 개발의 유망한 후보 물질이다"라고 말했다. 새로 설계된 양자 물질을 현재의 태양 에너지 시스템에 통합하려면 더 많은 연구와 개발이 필요하지만, 과학자들은 오랜 시간 동안 원자, 이온, 분자를 물질에 정밀하게 삽입하는 방법을 터득해 왔다. 이에 에쿠마 교수는 이러한 물질을 만드는 데 사용되는 실험 기술은 이미 고도로 발전했다고 지적했다.
- 포커스온
2024-04-12 13:20:00
美 콜럼비아대, 합성 초원자 신소재 발견⋯"세계 최고의 반도체"

미국 콜롬비아 대학교(Columbia University)의 화학자 팀은 기존 반도체인 실리콘보다 훨씬 빠른 속도로 정보를 전달할 수 있는 새로운 반도체 물질을 발견했다고 과학 전문매체 톰스하드웨어(Tomshardeware)가 최근 보도했다. 이 물질은 'Re6Se8Cl2'로 명명되며, 레늄(Re), 셀레늄(Se), 염소(Cl)로 이루어진 합성 물질이다. 이 매체는 새로 발견된 신소재가 실리콘을 대체하지는 못하겠지만, 아마도 실리콘을 대체할 길을 열어줄 수도 있다고 전했다. 기존 반도체에는 실리콘이 사용됐다. 실리콘(Si)은 주기율표에 나열된 원소 중 가장 흥미로운 원소 중 하나다. 실리콘은 집적회로(IC)가 존재하는 거의 모든 곳에 존재한다. 실리콘이 없다면 우리가 세상을 이해하고 작동하는 데 사용하는 대부분의 도구와 함께 가상의 모든 것을 잃을 수도 있다고 톰스 하드웨어는 평가했다. 반면, Re6Se8Cl2는 합성 초원자 물질로 자연계에서는 찾을 수 없다. Re6Se8Cl2는 논문 공동저자 중 한 명인 자비에 로이의 실험실에서 제조됐다. Re6Se8Cl2는 기존 반도체와 달리 '엑시톤-폴라론'이라는 새로운 준입자를 이용해 정보를 전달한다. 엑시톤-폴라론은 전자와 포논(원자 구조 진동으로 생성되는 입자)이 결합해서 형성된 입자다. Re6Se8Cl2 내부에서는 엑시톤-폴라론이 거의 산란을 거의 일으키지 않고 직진 경로로 이동한다. 이는 기존 반도체에의 전자 이동 방식, 즉 산란을 일으키며 움직이는 것과는 대조적이다. 이러한 특성 덕분에 Re6Se8Cl2는 기존 반도체보다 훨씬 빠른 속도로 정보를 전달할 수 있다. 연구팀에 따르면 Re6Se8Cl2를 통한 전자의 이동 속도는 실리콘을 통과하는 전자보다 약 2배 빠른 속도로 정보를 전달할 수 있다. Re6Se8Cl2의 발견은 반도체 기술의 미래에 중요한 의미를 갖는다. 이 새로운 물질은 기존 반도체보다 훨씬 빠른 속도로 정보를 전달할 수 있기 때문에, 향후 컴퓨터, 스마트폰, 통신 장비 등의 성능을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 또한, Re6Se8Cl2는 기존 반도체와는 다른 물리적 특성을 가지고 있어, 새로운 형태의 전자 장치를 개발에도 활용될 가능성이 있다. 그러나 Re6Se8Cl2의 제조 과정은 레늄, 셀레늄, 염소를 고온에서 반응시켜야 하며, 이는 복잡하고 비용이 많이 드는 작업이다. 특히, 반응에 필요한 레늄은 희귀 금속으로 가격이 높아 대규모 제조에 어려움이 있다. 이에 연구팀은 추후 연구를 통해 Re6Se8Cl2의 제조 효율을 개선하고, 이를 다양한 전자 장치에 적용할 수 있는 방법을 개발할 계획이다. 이번 연구는 과학 저널 '사이언스(Science)'에 게재됐다. 향후 Re6Se8Cl2의 제조 과정이 개선되고, 이 물질을 다양한 전자 장치에 적용할 수 있는 방법이 개발된다면, Re6Se8Cl2는 기존 반도체를 대체할 수 있는 차세대 반도체로서의 위치를 확보할 수 있을 것으로 예상된다.
- IT/바이오
2023-11-23 16:31:00