[사이언스] 점점 작아지는 나노소자, 더 똑똑하게 설계... 에너지 특성까지 파악

차세대 전자소자, 에너지소자, 양자소자 설계를 위한 시뮬레이션 방법론 개발

특허뉴스 박진석 기자 | 기사입력 2020/07/13 [14:19]

[사이언스] 점점 작아지는 나노소자, 더 똑똑하게 설계... 에너지 특성까지 파악

차세대 전자소자, 에너지소자, 양자소자 설계를 위한 시뮬레이션 방법론 개발

특허뉴스 박진석 기자 | 입력 : 2020/07/13 [14:19]

 

미세소자에서의 전력수송에 대한 새로운 양자역학적 개념 제시 / (위) 전류의 고전역학적 수송과 양자역학적 수송의 차이 및 본 연구의 개념도. 나노 스케일의 미세소자에서는 전자들이 입자 특성을 가지고 옴의 법칙에 따라 흐르는 것이 아니라 파동함수의 특성을 유지하는 양자적인 수송 특성을 지니게 됨. 현대 양자수송의 표준이론은 1957년 발표된 란다우어 이론임. (아래) 이번 연구에서 개발된 이론(다공간 제한탐색 밀도범함수론)의 개념 및 소프트웨어 구동의 모식도. 전자의 양자수송 현상을 다공간 전자여기 현상에 대응시켜 란다우어 관점을 대체할 수 있는 방법을 제안하고 나노소자 설계 소프트웨어로 구현함. 출처 : 한국과학기술원 전기및전자공학부 교수 김용훈      ©특허뉴스

 

새로운 소자를 만들기 위해서는 집적회로에 들어가는 수 백 억개의 트랜지스터 각각이 어떻게 작동하는지, 수 백억개의 트랜지스터를 어떻게 배치하고 연결할지 등을 컴퓨터로 미리 살펴보는 기술전산설계(technology computer aided design)가 필요하다.

 

국내 연구진이 차세대 반도체 소자 설계의 기반이 되는 물리학 표준이론의 대안(alternatives)을 제시했다.

 

한국연구재단은 한국과학기술원 김용훈 교수 연구팀이 현대 양자수송 표준이론의 대안을 제시, 나노소자의 에너지 특성까지 정확히 예측할 수 있는 이론을 확립하고 소프트웨어로 구현 했다고 13일 밝혔다.

 

일상적으로 쓰는 가전제품에서는 전자가 입자적 성격을 띠고 옴의 법칙으로 대표되는 고전양식으로 흐르지만, 최신 전자제품에 들어있는 첨단 나노소자에서는 전자가 양자적 특성을 띠고 전혀 다르게 움직인다.

 

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 반영하여 소자의 동작을 미리 예측하는 과정이 필수적이다.

 

20세기 후반에 확립된 양자수송에 대한 표준이론은 나노소자를 채널영역과 그에 연결된 무한한 두 개의 전극으로 구성된 열린 양자계(open quantum system)로 기술한다.

 

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 없어 에너지 소자의 설계에 활용하기에는 한계가 있었다.

 

연구팀은 이 한계를 극복하고자 비평형 상태의 나노소자를 닫힌 양자계로 보고, 이 안에서의 양자수송 현상을 한 쪽 전극에서 다른 쪽 전극으로 전자가 광학여기(optical excitation) 되는 현상에 대응시키는 관점을 제안하였다 .

또한 이를 통해 소자의 에너지를 최소화하는 방식의 이론을 개발 하고 소프트웨어로 구현하였다.

 

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 기대된다.

 

이번 연구의 성과는 재료분야 국제학술지 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)71일 게재 되었다.

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