[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

빛에 의해 유도되는 양자 터널링(Quantum tunneling) 현상은 수 피코초(1조 분의 1초)라는 초고속 시간 영역에서 전자를 제어할 수 있어 차세대 전자 소자의 핵심 기술로 꼽힌다. 하지만 기존에는 전자가 장벽을 뚫고 이동하게 만들기 위해 수 볼트 퍼 나노미터 이상의 매우 강한 전기장이 필요했다. 이러한 강한 전기장은 금속 나노 갭 주변에 급격한 줄열(Joule heating)을 일으켜 소자를 영구적으로 손상시키는 문제가 있어 안정적인 구동이 불가능했다. 본 연구에서는 밴드갭이 큰 기존의 산화알루미늄 대신 밴드갭이 낮은 이산화티타늄을 이용하여 쇼트키 장벽 (Schottky barrier)의 높이를 조절함으로써, 낮은 전기장에서도 안정적으로 양자 터널링을 유도하고 정량 제어할 수 있음을 밝혔다.

2.연구내용

연구팀은 금속–절연체–금속 나노 갭 구조에서 터널링 특성을 좌우하는 핵심 요소가 금속과 절연체 계면에서 형성되는 쇼트키 장벽의 높이에 있음을 바탕으로, 기존의 산화알루미늄 대신 더 낮은 장벽을 형성하는 이산화티타늄을 절연체로 도입했다. 원자층 리소그래피 공정을 이용해 수 나노미터 폭의 금속 나노 갭 내부를 이산화티타늄으로 균일하게 채운 구조를 제작하고, 테라헤르츠 시간영역 분광을 통해 전기장에 따른 터널링 거동을 분석했다.

실험 결과, 이산화티타늄 나노틈은 기존 대비 4배 낮은 13 kV/cm의 입사 전기장 (갭내부 전기장 0.75V/nm)만으로도 파울러-노드하임 터널링 (Fowler-Nordheim tunneling)이 시작됨을 확인했다. 이는 강한 전기장 없이도 부도체 상태에서 전도성 터널링 채널로의 전이가 가능함을 의미한다.

또한, 최적화된 이산화티타늄 박막의 높은 열전도성 덕분에 터널링 과정에서 발생하는 열을 효과적으로 방출할 수 있어, 1,000회 이상의 반복적인 고강도 전기장 On-Off 구동 실험에서도 소자의 성능 저하 없이 최대 60%의 테라헤르츠파 투과율 변조가 가능함을 실험적으로 증명했다. 이는 동일 조건에서 부분적인 손상이 발생한 하프늄 산화물(HfO2) 소자와는 대조적인 결과로, 장벽의 높이뿐만 아니라 열 관리 또한 소자 안정성의 핵심 요소임을 밝혀냈다.

3.기대효과

본 연구는 단순히 낮은 전기장 구동을 넘어, 테라헤르츠 대역에서 작동하는 능동형 플라즈모닉 소자의 고질적인 발열 문제를 '쇼트키 장벽 엔지니어링'과 '재료의 열전도성 최적화'를 통해 해결했다는 데 의의가 있다. 본 연구 결과는 초고속 6G 통신을 위한 능동 변조기(modulator), 초고감도 센서, 그리고 테라헤르츠파를 직류 전류로 변환하는 정류기(rectifier) 개발에 직접적으로 응용될 수 있다. 더 나아가, 더 낮은 일함수를 가진 금속을 도입하거나 인공지능 기반의 구조 최적화를 결합한다면, 극한의 저전력으로 작동하는 양자 터널링 기반의 차세대 광전 소자 및 에너지 하베스팅 시스템, 양자센싱 플랫폼 구현을 앞당길 것으로 기대된다.

[붙임]  용어설명

1.테라헤르츠파

1초에 약 수조(10¹²) 번 진동하는 전자기파. 테라헤르츠파는 전기장이 1조 분의 1초(피코초) 주기로 변화해, 전자나 물질의 거동을 극히 짧은 시간 영역에서 제어할 수 있다는 점에서 초고속 통신과 양자 소자 연구에 활용된다.

2.양자 터널링 (Quantum tunneling)

고전 역학적으로는 입자가 에너지가 높은 장벽을 넘어설 수 없지만, 양자역학에서는 입자(전자)가 확률적으로 장벽을 뚫고 지나가는 현상.

3.줄열 (Joule heating)

도체에 전류가 흐를 때 저항에 의해 전기 에너지가 열 에너지로 변환되어 온도가 상승하는 현상.

4.쇼트키 장벽 (Schottky barrier)

금속과 반도체(또는 산화물)가 접촉할 때 계면에 형성되는 에너지 장벽(쇼트키 장벽)의 높이

5.산소 공극 (Oxygen Vacancies)

산화물 박막의 결정 구조 내에서 산소 원자가 있어야 할 자리가 비어 있는 결함. 이 빈자리는 전자의 이동 통로 역할을 하여 의도치 않은 전류 흐름(누설 전류)을 유발하거나 소자의 절연 특성을 떨어뜨린다.

6.누설 전류 (Leakage Current)

전류가 흐르지 않아야 할 절연체나 차단 상태에서 의도치 않게 새어 나가는 전류. 소자의 전력 효율을 떨어뜨리고 오작동을 일으키는 원인이 된다.

7.나노 갭 (Nano gap)

금속 전극 사이에 수 나노미터(nm, 10억 분의 1미터) 수준의 매우 미세한 간격. 공기나 산화알루미늄과 같은 절연체를 금속 전극 사이에 넣어 나노 틈을 만들 수 있다.

8.파울러-노드하임 터널링(Fowler-Nordheim tunneling)

터널링은 에너지 장벽의 형태와 인가되는 전기장의 세기, 장벽의 물리적 두께 등에 따라 여러 형태로 구분되는데, 파울러-노드하임 터널링은 강한 전기장이 가해졌을 때 에너지 장벽이 얇게 휘어지면서, 전자가 장벽을 뚫고 통과하는 방식의 양자 터널링 현상이다.

9.변조기 (Modulator)

빛이나 전파 같은 신호의 세기(진폭), 위상, 주파수 등을 조절하여 정보를 싣거나 신호를 켜고 끄는(Switching) 장치.

10.정류기 (Rectifier)

시간에 따라 방향이 바뀌는 교류 신호(파동)를 한 방향으로만 흐르는 직류 신호로 변환해 주는 장치.

[붙임] 그림설명

그림1. 테라헤르츠 전기장에 의해 유도되는 양자 터널링 현상

(a) 개발된 양자 터널링 소자의 구조. (b)와 (c)는 5nm 두께의 양자 소자의 단면 투과전자현미경 (TEM) 이미지(b)와 광학 현미경 사진(c). (b)의 스케일 바는 5 nm, (c)의 스케일 바는 80 μm를 나타낸다. (d) 금속-산화물-금속(MOM) 소자 구조에서 터널링(파울러-노드하임 터널링)이 발생하는 원리. (e) 양자 소자 내부에서 전기장이 크게 증폭되는 모습을 보여준다. (f) 입사 테라헤르츠 전기장 세기에 따른 소자 내부 전기장(E_gap)의 변화. 일정 전기장 이상에서 터널링이 시작됨을 실험적으로 확인했다.

그림 2. 테라헤르츠 전기장에 따른 장벽 변형과 터널링·투과 특성의 실험–이론 비교

(a) 인가 전기장(E_gap)에 따라 변화하는 에너지 장벽의 높이와 두께를 계산한 결과. 전기장이 증가할수록 장벽이 기울어지고 유효 두께가 감소한다. (b) 전기장 세기에 따른 유효 장벽 두께 변화(좌)와 0.3 THz에서의 유전 응답 허수 성분 Im(ε_eq)(우). 장벽 변형과 전자 응답이 전기장에 따라 급격히 변화함을 보여준다. (c,d) 서로 다른 조건에서 측정한 테라헤르츠 주파수–전기장 맵의 실험 결과(Exp.)와 계산 결과(Cal.). 전기장 증가에 따른 투과 특성 변화가 실험과 이론에서 일관되게 나타난다. (e,f) 전기장 세기에 따른 테라헤르츠파 투과 스펙트럼의 실험값(Exp.)과 계산값(Cal.). 터널링이 시작되는 전기장 이상에서 투과율 변조가 뚜렷하게 나타나며, 실험 결과가 이론 모델과 잘 일치함을 확인할 수 있다. 투과율 변조는 테라헤르츠 전기장에 의해 유도된 양자 터널링이 실제 소자의 광학 응답을 바꾸고 있음을 보여주는 지표다.

그림3. 절연체 종류에 따른 테라헤르츠 투과 특성 변화와 소자 안정성 비교

(a,b) 서로 다른 조건에서 측정한 테라헤르츠 주파수–전기장(E_gap) 맵의 실험 결과(Exp.)와 계산 결과(Cal.). 전기장 증가에 따른 테라헤르츠파 투과 특성 변화가 실험과 이론에서 유사한 경향을 보인다.(c) 갭 내부 전기장(E_gap)에 따른 정규화된 테라헤르츠파 투과율(T/T₀) 변화. 이산화티타늄(TiO₂) 기반 소자는 전기장 증가에 따라 투과율이 점진적으로 감소하며 안정적인 변조 특성을 보인 반면, 하프늄 산화물(HfO₂) 기반 소자는 높은 전기장 영역에서 부분적인 손상이 발생했다. 알루미늄 산화물(Al₂O₃) 기반 소자는 높은 장벽으로 인해 투과율 변화가 제한적임을 확인할 수 있다.

그림 4. 개발된 양자 터널링 소자의 구동 안정성

(a) 테라헤르츠 전기장 인가 여부에 따라 터널링이 켜지고(on) 꺼지는(off) 상태를 나타낸 에너지 장벽 모식도. 전기장이 가해지면 장벽이 기울어져 터널링이 발생하고, 전기장을 제거하면 다시 차단된다. (b) 테라헤르츠 전기장을 주기적으로 온·오프 구동했을 때 갭 내부 전기장(E_gap)의 시간 변화. 초기 구동부터 100번째, 500번째, 1,000번째 사이클까지 동일한 전기장 파형이 유지됨을 보여준다. (c) 반복 구동 사이클 수에 따른 갭 내부 전기장(E_gap)의 변화. 이산화티타늄(TiO₂)을 각각 5 nm와 10 nm 두께로 채운 양자 터널링 소자 모두 1,000회 이상의 반복 구동 동안 전기장 세기가 안정적으로 유지됨을 확인했다.