메뉴 건너뛰기

New & Notice

While major technological devices such as transistor switches and amplifiers have currently been based on the manipulation and control of charge carriers and photons, the emerging field of quantum phononics, offers the intriguing possibility that the vibrational properties of crystals can be also be modified and precisely controlled in nanoscale devices. Potential applications include the fields of nanophysics, electronics, communications, and sustainable energy. In this work, we report on electrical switching and modulating the amplitude of the transverse acoustic vibrations in a nanoscale quantum structure. The fundamental idea is to design the device so that a lateral electric field can be used to break the symmetry and modify the selection rules for transverse acoustic phonon generation. This allows us to electrically control features of acoustic phonons such as the mode, amplitude, switching time, and detection sensitivities. Furthermore, the ability to control and manipulate the vibrational properties of solids with external electric fields is analogous to that for manipulating electrons in transistors and can be an essential step in advancing integrated phononic circuits for possible logic devices.­­­­­­­­­­­­­

___________________________________________________________________________________________________

열의 흐름을 전기적으로 제어하는 원자 진동 트랜지스터 개발

1424764044_7414.png 1424764047_0064.png

 

(왼쪽부터지스트 조영달 교수와 정훈일 박사과정

 

□ 지스트(GIST광주과학기술원조영달 교수팀(정보통신공학부)이 ()의 흐름을 전자나 빛처럼 전기적으로 제어할 수 있는 원자 진동트랜지스터**를 개발했다이 기술을 활용하여 트랜지스터나 발광다이오드*** 등 다양한 전자소자의 동작 시 발생되는 열에 의한 수명의 단축 문제를 해결 할 뿐만 아니라 열을 전기신호로 바꾸거나 전파로 전환하여 현재보다 100배 이상 빠른 초고속 정보통신용 소자로 활용하는데 기여할 것으로 기대된다.

*원자 진동 물질의 기본적인 최소입자인 원자가 외부로터 에너지를 얻어 떨리는 현상

**트랜지스터(transistor) : 전류나 전압의 흐름을 증폭하거나 전환하는 소자

***발광 다이오드(Light Emitting Diode. LED) : 반도체에 전류를 흐르게 하여 전기에너지를 직접 빛으로 변화시키는 반도체 소자.

 

□ 이번 연구는 삼성전자가 추진하는 미래기술육성사업의 지원으로 수행되어 왔고연구 결과는 물리학 분야 권위지인 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters) 1월 29일자로 게재되었다.

 

□ 열은 높은 주파수인 테라헤르츠 대역의 원자 진동을 통해 전달되는데낮은 대역의 원자 진동은 소리나 초음파에 해당하며 기계의 결함검사나 의료기기에 활용되는 등 기술이 고도화 되어있지만 높은 주파수 대역의 원자 진동에 해당하는 열은 그동안 조절하기 어려운 것으로 인식되어 왔으며 트랜지스터나 발광다이오드 등의 전자소자의 효율을 떨어뜨리고 에너지 소실을 유발한다이러한 열을 소자 개념으로 활용하는 열 전자공학은 21 세기 들어 새로이 등장하였는데폐열을 전기로 바꾸고 높은 효율의 냉/난방 건축 자재 및 반도체 소자의 효율 향상 기법 등이 연구되어왔다.

 

○ 전자소자에 상응하는 열 전자소자의 개발을 위해서는 원자가 떨리는 방향인 모드(mode), 떨림의 전송(transport)과 세기(amplitude) 등의 특성 연구가 필수적이다최근 반도체 구조를 다양하게 만드는 연구를 통해 전송이나 주파수 필터링(filtering) 등의 일부 기능이 개발되고 있으나 모드의 선택과 세기의 외부적 조절에 관한 연구는 아직 보고되지 않았다특히 모드의 선택적 발생은 반도체물질의 성질연구 및 열 전자공학의 저변 확대에 필수적인데기존의 연구들은 모드의 선택을 위해 각 모드에 부합하는 구조를 만들거나 다른 특성을 갖는 물질을 접합하는 방법 등을 사용하였다. 이는 비용과 시간측면에서 비효율적이며구조 선택에 의해 결정되는 모드를 조절할 수 없기 때문에 활용의 측면에서도 제약이 있었다.

 

□ 연구팀은 전기적으로 반도체 구조를 변형하는 방법을 통하여 원자 진동모드를 전환하고 세기의 조절도 가능한 새로운 소자를 개발하고 이론적으로 설명하였다.

 

○ 전기를 통한 구조의 정밀한 변형은 특정한 원자 진동의 모드를 켜거나 끌 수 있는 스위치 역할을 하며 연구에 사용된 질화갈륨*의 경우일반적으로 가해지는 표면방향에 수직인 전계에 의해 구조의 압축 및 팽창이 발생되고 세로방향의 원자진동을 갖는 열이 발생한다.

*질화갈륨(Gallium Nitride, GaN): 갈륨과 암모니아를 반응시켜 얻어지는 결정으로 청색 발광 다이오드 및 고출력 전자소자에 사용됨.

 

○ 연구팀은 기존의 구조들에서 무시되었던 표면 방향에 평행한 전계가 압축과 팽창이 아닌 구조의 비틀림 변형을 일으키고 가로방향의 원자진동을 갖는 열의 모드를 발생시킬 수 있음에 착안하여표면 방향에 평행한 전계를 조절할 수 있는 구조를 개발하였다이를 통해 같은 구조에서 발생되지 않는 것으로 여겨졌던 가로방향 원자진동 모드의 발생과 세기가 외부적으로 조절될 수 있음을 이론과 실험을 통해 밝혀냈다.

 

□ 조영달 교수는 이번 연구를 통해 개발된 원자 진동의 전기적 제어법은 다양한 반도체 물질과 구조의 비 파괴적 내부탐사 뿐 아니라 열을 활용한 집적회로 및 논리소자의 개발에 기여할 것으로 기대된다고 말했다.

번호 제목 날짜 조회 수
23 [GIST Excellence] 조영달 교수팀, 이차원 나노 신소재 열(熱) 전달 특성 규명 2017.09.06 28
22 2016 Qualcomm-GIST Innovation Award file 2017.06.02 24
21 GIST 23주년 연구상 file 2017.06.02 29
20 조영달 교수, 2016년 7월 YTN Science 강연 2016.09.06 24
19 지스트 대표 업적 선정: 포논 트랜지스터 개발 2016.09.06 16
18 New research program, entitled "Manipulation of phonon waves towards faster and efficient nano devices", has begun 2016.09.06 6
17 GIST-Caltech Grants for Collaborating Faculty has begun from 2016 2016.09.06 19
16 In CLEO-PR 2015, HY's work selected as the BEST STUDENT PAPER. file 2015.10.28 18
» [News Release 보도자료] Electrically Modulating and Switching Phonons 물리학 분야 권위지인 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters) 게재 file 2015.10.28 30
14 Hoonil, won the research excellence award for 2014 Academic Year Graduation 2015.10.28 4
13 Postdoc positions available for heat manipulation technologies file 2015.10.28 8
12 Samsung electronics funds our heat manipulation tech. 2015.10.28 3
11 [News release: 보도자료] 한국경제신문, "테라헤르츠파 무선통신 앞당긴다" file 2015.10.28 15
10 Jong-Hyuk Yim's paper was selected as a Key Scientific Articale on Advances in Engineering. 2015.10.28 9
9 Jong-Hyuk Yim won Global University project scholarship. file 2015.10.28 4
8 Young Dahl Jho, selected as 과학 창의 앰배서더. 2015.10.28 12
7 Young-Dahl Jho, selected as Yeonam overseas research professorship grantee. 2015.10.28 36
6 Dongmin won a best poster award in ICNST2012 file 2015.10.28 6
5 Best presentation award from Optical Society of Korea 2010 file 2015.10.28 2
4 Jonghyuk was invited to ICPS2012 Zurich and also to J. Appl. Phys. for a work on diffusion-engineered THz emitters 2015.10.28 36
위로