심우영 교수팀, 금속 나노시트로 차세대 전기 스위치 개발

반도체 한계 넘을 '전금속 스위치' 가능성 열어

금속의 전류 온·오프 전환 비율이 10,000배에 달해

[사진 1. (왼쪽부터) 심우영 교수, 김태훈 박사, 서동철 박사과정생, 김성순 박사]

신소재공학과 심우영 교수 연구팀이 2차원 금속 나노시트를 이용한 새로운 전기 스위칭 소자를 개발했다. 이번 연구는 전통적으로 반도체를 사용해 만들어지던 스위치에 금속을 적용한 사례로, 큰 주목을 받고 있다. 

금속은 전자의 농도가 매우 높아 트랜지스터처럼 전류 흐름을 막거나 켜는 기능을 하는 스위칭 소자에 적합하지 않다. 그러나 심우영 교수 연구팀은 2차원 금속 나노시트의 미세구조를 제어함으로써, 기존의 금속에서는 보기 힘든 독특한 성질을 발현할 수 있다는 가능성을 보였다.

[그림 1. 비등방 금속 나노시트 생성 원리 및 개념]

특히, 연구팀은 전해증착법을 통해 특정 방향으로 정렬된 결정립을 가진 2차원 금속 나노시트를 제작했다. 전해증착 과정에서 연구팀은 이차원 구조의 템플릿을 활용해 금속이 균일한 방향으로 성장하도록 유도했다. 이로 인해 나노시트가 기존 금속보다 1,000배 이상 높은 전기적 비등방성을 나타내며, 이는 금속이 스위칭 소자로 활용될 가능성을 시사한다.

연구팀이 개발한 금속 나노시트는 두 개의 전기적 경로가 직교하는 형태로, 온·오프 전환 비율이 약 10,000배 이상 높게 나타났다. 이러한 높은 전환 비율은 전류 흐름의 방향에 따라 전기적 경로가 달라지도록 설계된 나노시트 구조 덕분이다. 이는 기존 반도체 트랜지스터와는 다른 방식으로 전류 흐름의 방향에 따라 스위칭을 제어할 수 있음을 의미한다.

[그림 2. 비등방 금속 나노시트 기반 전기 스위칭 소자]

결과적으로, 연구팀은 이 전기적 비등방성을 바탕으로 소스(Source), 드레인(Drain), 게이트(Gate)로 구성된 3-단자 스위치를 개발해 다양한 논리회로를 구현하고 성능을 검증했다. 이러한 소형 금속 스위칭 소자는 기존 실리콘 트랜지스터가 가지는 한계를 뛰어넘는 초소형 논리소자로 자리 잡을 가능성이 크다.

심우영 교수는 “이번 연구는 일반적인 금속에서 전류의 온·오프 전환 비율이 10,000배에 달하는 결과를 실험적으로 구현한 점에 큰 의미가 있다.”며, “이는 반도체 중심의 스위칭 소자 개발에서 벗어나 금속을 활용한 새로운 가능성을 제시하는 연구”라고 강조했다.

한편 연구 성과는 과기정통부 나노 및 소재기술개발사업(전략형)과 기초과학연구원(IBS)의 지원으로 재료 분야의 권위 있는 국제 학술지 ‘네이처 신세시스(Nature Synthesis)’에 게재됐으며, 금속 나노시트를 기반으로 한 차세대 스위칭 소자 개발에 중요한 발판을 마련할 것으로 기대된다.

논문정보

● 논문 제목: Anomalous in-plane electrical anisotropy in elemental metal nanosheets