다양한 기능 구현하는 재구성형 전자소자 개발 

- 간단한 프린팅 방식으로 차세대 전자소자 설계 패러다임 변화 기대

전압 인가 조건에 따른 재구성형 전자소자의 동작 모드 및 광응답 특성. 그림은 하나의 소자가 전기적 조건에 따라 트랜지스터와 다이오드처럼 전환 동작할 수 있는 재구성형 소자의 원리를 보여준다. 또한, 각 동작 모드에서의 광응답 특성 차이를 시각적으로 나타낸다. (자료제공: 한국연구재단)

필요에 따라 기능을 자유자재로 바꿀 수 있는 전자소자가 개발됐다. 

한국연구재단(이사장 홍원화)은 연세대학교 강주훈 교수 연구팀이 잉크처럼 뿌려 만드는 2차원 나노재료로 트랜지스터와 다이오드, 그리고 광센서 기능을 자유롭게 바꿀 수 있는 재구성형 소자(Reconfigurable device) 기술을 개발했다고 5월 9일 밝혔다.

전자소자의 기능을 상황에 따라 전환할 수 있는 재구성형 소자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 기존 재구성형 소자는 정교한 장비와 복잡한 구조가 필요해 대면적 생산 및 상용화에 어려움이 많았다. 특히, 복잡한 전극 설계가 필요할 뿐만 아니라, 이를 정밀하게 정렬해야 하는 문제까지 있어 실제 산업에 응용하기에는 한계가 있었다. 

이를 해결하기 위해서는 단일 구조로도 다양한 기능을 구현할 수 있는, 간단하면서도 확장성 있는 구조의 재구성형 소자 개발이 필요한 상황이다. 

연구팀은 용액공정 기반의 2차원 나노 재료를 이용, 기판 전체에 뿌리는 방법으로 균일한 소자의 성능을 구현할 수 있는 새로운 구조를 고안해 하나의 게이트 전극만으로도 트랜지스터 또는 다이오드처럼 작동하도록 설계했다. 

먼저 2차원 반도체인 이황화지르코늄(ZrS₂)를 산화시켜 형성한 산화지르코늄(ZrO₂-x) 절연층 위에 반도체 재료인 몰리브덴 다이설파이드(MoS₂)를 수직으로 쌓은 이종접합 소자를 제작, 전기적 기능이 상이한 두 재료를 수직으로 적층한 간단한 소자 구조로 다양한 기능을 구현할 수 있도록 했다.

또한, 산화지르코늄 절연층의 산소결함을 활용해 빛에 반응하는 속도를 조절하는 데 성공, 빠른 감응 속도와 장기 기억 특성을 모두 갖춘 새로운 방식의 광센서를 구현해냈다. 

이번 연구성과로 인해 고속 영상처리, 인지형 센서 등에 활용 가능한 재구성형 광소자 플랫폼으로 확장될 수 있는 기반이 마련될 수 있을 것으로 기대되고 있다. 

강주훈 교수는 이번 연구성과에 대해 “간단한 프린팅 방식으로 고성능 재구성형 전자소자를 구현할 수 있는 가능성을 제시한 것”이라며 "향후 다양한 기능을 가진 센서를 기기 내부에 높은 밀도로 집적하는 인공지능 하드웨어 기술에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 설명했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 지원사업으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)'에 2025년 5월 6일 온라인 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]