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New vision of optoelectronics: Heat-smart Optoelectonics & Phononic Engineering

For English, refer to Lab. Introduction page.

 

본 연구실은 반도체 물성 분석 및 광소자 연구 분야에서  고유의 기술과 연구 노하우을 축적하였습니다. 이러한 성공에도 불구하고, 2017년 이후 Heat-smart Optoelectronics & Phonon Engineering으로 연구 주제를 수정하였습니다. 그 근간에는,  무어의 법칙의 한계에서 보듯이 기술적으로 전자-광소자 분야가 포화 상태에 이르렀기 때문입니다. 이에 따라, 인류는 트랜지스터나 LED 및 레이저 소자등의 한계의 대안으로 more fusion/connection/integration의 시대에 접어들었습니다. 주목받은 AI나 machine learning도 컴퓨팅 용량, 즉,  전자-광 소자의 속도 및 밀도 증가에 의존합니다.  

 

여기서 주목할 점은, 전자나 광 소자는 나노 스케일 소재와 이론를 쓰지만 열 제거 기술은 나노 스케일에서는 존재하지 않는다는 것입니다. 

 

구체적으로,

1) 열 발생에 따라,  전자 소자는 작동 속도가 저하되고,  광소자는 신호 세기가 작아집니다. 또한, 모든 소자의 수명이 짧아집니다.  전자 속도 포화의 원인인 포논-전자 산란 (Phonon-electron scattering)의 조절을 통한 전자 속도 향상이 기대되지만, 여전히 선구자를 기다리고 있습니다. 

2) 전자-광자 조절은 나노 스케일 반도체 소자를 쓰면서도, 열 제거는 cm스케일에 의존합니다.

3) 현재 당면한 5G 이후의 20 GHz 대역 전자나 통신용 광소자라면 carrier 전자-광자의 조절 속도는 nanosecond보다 빠름에도 불구하고 열 제거 시간은 수 시간이 걸릴 때도 있습니다. 즉, 열의 주요 전달자인 1-4 THz 대역 음향 포논(acoustic phonons)의 초고속 조절 기술이 필요합니다. 

4) 광자 레이저나 전자 rectifing diode 기술이 포논에도 적용되기 시작했습니다. 다음 세대에는 관련 주제로 노벨상과 산업 활용이 기대됩니다.  

 

이와 같이 나노 스케일 포논 파동성을 활용하는 전자-광소자는 파급 효과가 큼에도 불구하고,  집단 유행에 속박된 국내 경향하에서  선구자 및 학문 후속 세대의 부재로 이어지고 있습니다. 

 

HOPE (Heat-smart optoelectronics and phonon engineering)란 이미 전자-광자적으로 최적화된 transisotor나 LED등의 소자에서는 열을 제거하고, thermoelectrics 등의 에너지 소자에는 열을 증폭하는 등 열의 조절을 phonon engineering을 통해 구현하고, 기존의 전자-광 소자와 집적하는 새로운 연구 기법입니다. HOPE Lab에서는, Photon-electron-phonon 조절 소재를 나노 스케일의 반도체 칩에 융합하는 systematic integration이라는 국내외에 전례가 없는  방법을 제시하고 개척하고 있습니다.  전자-광자 기술은 이미 나노 스케일에서 기 개발되어 있으므로, phonon 조절 기술을 새롭게 나노 스케일에서 구현하고 집적하기위해 다양한 학문적 공학적 개척을 진행 중 입니다. 

 

Phonon은 원자 진동의 물리학적 개념으로 전자-광자와 마찬가지로 입자-파동의 이중성을 가집니다. 지진파나 소리도 모두 주파수가 다른 phonon에 해당합니다. 그에 비해, 열은 높은 주파수의 포논이 전달하지만, 인류의 열 조절 기술은 지금까지 Phonon의 입자성에만 의존했습니다; 이는 1800년대 이미 정립되어 퓨리어 법칙 (Fourier's law)으로 불리웁니다. 이 경우,  열 제거 기술은 Phonon density 차이 (~온도의 차이)에 따른 diffusion에만 의존합니다.  이런한 한계는 열 제거 기술이 cm 스케일에 의존하게 된 원인이며,  나노 스케일에서 집적되어 열 밀도가 지나치게 높은 현대의 전자-광 소자에서는, phonon 또한 파동성을 띕니다.  따라서, 파동 특성 및 나노스케일 열 조절 개념의 정립이 필요합니다. 공학적으로는,  나노 스케일 열 조절 기능이 기존의 전자-광소자-열 소재에 집적되어야 열을 효율적으로 조절합니다.  이에 따라, HOPE Lab.에서는 열 특성의 조절 및 활용은 수동적으로만 가능하다는 기존 인식을 뛰어넘어, 전자-광-포논 집적 소자 개념을 제시하고 능동적인 열 조절인 개념인 Heat-smart을 구현하고 소자에 적용하는 국내 유일-세계적으로 고유한 연구 분야를 개척하고 있습니다.

 

소재적인 관점에서는, 고효율 고출력 소자의 주요 물질인 화합물 반도체 나노 구조, 전자/포논 속도가 가장 빠른 Graphene 계열, 단일 원자층 초격자가 기대되는 MX2 계열 및 원자 엔지니어링을 이용한 나노 신소재를 활용하여, i) 전자-광-포논 상태에 대한 체계적인 이해, ii) 전자-광-포논 조절 기능이 집적된 미래 소자 개념 연구, iii) 전자-광-포논을 동시에 활용하는 다이오드, 트랜지스터, 논리회로, 주파수 변조 등, 탈 추격형-세계 최초 기술을 개척합니다.

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