연구진이 새롭게 개발한 이론 및 시뮬레이션 체계를 기반으로 세계 최초로 그래핀 기반 2차원 터널링 트랜지스터의 양자역학적 제1원리 시뮬레이션을 수행한 모식도.(KAIST 제공)© 뉴스1

KAIST 전기및전자공학부 김용훈 교수 연구팀이 원자만큼 얇은 2차원 반도체 소자의 양자역학적 컴퓨터 시뮬레이션을 성공적으로 구현했다.이를 기반으로 원자 결함에 의해 발생하는 특이한 소자 특성을 세계 최초로 규명했다.

4일 KAIST에 따르면 제1 원리 시뮬레이션이란 슈퍼컴퓨터에서 원자 수준의 양자역학 계산을 수행해 실험적 데이터나 경험적 모델의 도움 없이 물질의 특성을 도출하는 방법이다.

제1 원리 계산을 통한 평형 상태의 소재 연구는 1998년 월터콘 교수가 노벨상을 받은 `밀도 범함수론(DFT)'을 기반으로 다방면으로 수행해왔다.

반면, 전압 인가에 따른 비평형 상태에서 작동하는 나노 소자의 제1 원리 계산은 DFT 이론을 적용하기 어렵고 그 대안으로 제시된 이론들에도 한계가 있다. 결과적으로 현재 그래핀 기반 2차원 반도체 소자의 엄밀한 양자역학적 시뮬레이션은 불가능한 상황이었다.

이에 연구팀은 이러한 어려움을 극복하기 위해 자체적으로 수립한 새로운 양자 수송 계산 체계인 다공간 DFT 이론을 발전시켜 그래핀 기반 2차원 터널링 트랜지스터의 제1 원리 시뮬레이션을 가능하게 했다.

이어 이를 그래핀 전극-육각형 질화붕소 채널-그래핀 전극 소자 구조에 적용해 질화붕소 층에 존재하는 원자 결함이 다양한 비선형 소자 특성들을 도출시킬 수 있음을 보여줬다.

원자 결함의 종류와 위치에 대한 정보가 신뢰성 있는 2차원 소자의 구현에 매우 중요한 요소임을 입증한 것이다.

이러한 비선형 소자 특성은 연구진이 기존에 세계 최초로 제안했던 양자 혼성화 소자 원리에 따라 발현됨을 보여 2차원 소자의 양자적 특성을 활용하는 한 방향을 제시했다.

KAIST 김용훈 교수는 “양자 효과가 극대화될 수밖에 없는 차세대 반도체 연구·개발에서 양자역학적 제1 원리 컴퓨터 시뮬레이션의 역할이 더욱 중요해질 것”이라고 강조했다.

한편, 이번 연구성과는 소재 계산 분야의 권위 있는 학술지 ‘네이처 파트너 저널 컴퓨테이셔널 머터리얼스’ 온라인판에 최근 게재됐다.


km5030@news1.kr