기초지원연, 고성능 NDR 소자 개발… “기존 제품보다 성능 1000배 개선”

고성능 NDR 소자 개발에 참여한 연구원들. 왼쪽부터 가천대 소속 김소미, 박태현 연구원, 윤형중 한국기초과학지원연구원(KBSI) 책임연구원, 유호천 가천대 교수. /KBSI

국내 연구진이 차세대 전자회로 핵심 부품인 ‘음성미분저항(NDR) 소자’ 성능을 한층 더 끌어올리는 데 성공했다. NDR은 전압이 증가할 때 전류가 감소하는 독특한 물리적 현상으로 최근 이 현상을 활용한 전자회로 부품 개발이 각광받는 추세다. 이번 개발로 고주파통신기기, 방송기기에 들어가는 마이크로파 발진기·증폭기를 비롯해 다양한 고성능 전자제품 상용화에 가속도가 붙을 것으로 보인다.

한국기초과학지원연구원은 25일 윤형중 소재분석연구부장 연구팀이 유호천 가천대 전자공학과 교수 연구팀과 함께 ‘p-n 접합 NDR 반도체 소자’를 구현하는 데 성공했다고 밝혔다.

통상 전기가 흐르며 전압이 늘면 전류도 증가하는데, 일정 범위에서는 전압이 늘어도 전류가 감소한다. 이처럼 전류가 감소하는 전압 구간을 NDR 영역이라 한다. NDR 영역을 활용하면 전압을 조절해 전류 흐름을 줄이거나 늘릴 수 있다. 이렇게 전류 흐름을 바꾸는 ‘스위칭’은 차세대 전자회로 분야의 핵심 기술로 주목받고 있다.

기존 NDR 소자는 제작 과정이 복잡하고 초저온 환경에서 만들어야 하는 등 만들기가 까다로웠다. 또 소자에 흘려보낼 수 있는 전류가 너무 적어 전기 신호에 노이즈가 끼는 등 성능이 좋지 않았다.

이에 연구팀은 산화아연과 실리콘을 접합한 형태의 NDR 소자를 개발해냈다. 이렇게 하면 전기 신호를 원활히 전달하기에 충분한 전류가 소자 내부에서 큰 저항 없이 이동할 수 있다. 기존 소자의 전류 레벨 대비 1000배 이상 개선돼 상용화도 기대할 수 있게 됐다.

소자 제작도 훨씬 편해졌다. 연구팀은 산화아연과 실리콘을 접합하는 과정에서 액체 상태로 박막을 코팅하는 용액 공정을 활용해 한 번에 더 많은 소자를 만들 수 있게 됐다. 이렇게 만들었을 때 제품 성능도 균일했으며 수율은 100%에 달했다고 연구팀은 설명했다.

이번 연구결과는 재료과학분야 세계적 권위 학술지인 ‘어드밴스드 매테리얼 테크놀로지(Advanced Materials Technologies)’ 최신호 표지 논문으로 게재됐다.

참고자료

Advanced Materials Technologies, DOI: https://doi.org/10.1002/admt.202201028

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