최근 미국 Wisconsin대학의 Ashley Taylor 와 Tom Krupenkin 교수 연구진이 신발 타입으로 사람이 걸으면서 모바일 기기 충전이 가능한 기술을 공동으로 개발하였다.

이 연구의 핵심기술은 역전기습윤(reverse electrowetting) 기술로서, 신발 깔창부분에 수천개의 전도성 물방울이 이뤄진 장치를 통해 사람이 걸을 때 생기는 동력이 물방울을 함께 움직이며 미세한 액체방울을 전류로 바꿔주는 것이다 (관련 자세한 기술은 Nature Communications지의 8월 23일에 출간된 Reverse electrowatting as a new approach to high-power energy harvesting 논문 참고). 특히 이번 연구는 신발장착형 최신 배터리 충전시스템으로써 이전 압전발전방식과 달리 최대 20와트의 에너지를 생산할 수 있어, 실생활에 활용될 수 있는 가능성이 커졌다.

연구진은 휴대폰. 라디오, 휴대전등부터 노트북까지 모든 종류의 포터블 기기를 충전가능 할 것으로 기대하며, 구체적으로 두시간 걷는 활동을 통해 휴대폰 충전이 가능하며, 배터리 수명도 10배 더 길어질 것이라고 전망하였다. 특히 행군을 많이 하는 군사용으로도 활용 가능성이 크다. 현재 연구는 아직 프로토타입 단계로 2년후엔 두 교수가 공통 창립한 InStep NanoPower 사를 통해 상품화될 예정이다. 상품화를 위해 해결해야 할 과제는 신발깔창에서부터 포터블 기기까지 전력이동을 위한 무선전력수송시스템으로 현재 개발 중이다.

이와 같이 인간의 움직임을 통해 전력을 생산하여 간단한 포터블 기기 충전하는 기술은 2011년 성균관대학의 김상우박사가 개발한 소리를 지르면 충전할 수 있는 배터리, 올해 3월 미국 조지아테크에서 개발한 심장박동을 통한 MP3충전 등이 있으며 기술의 실용화를 위한 발전이 매우 기대되는 분야이다.

그래핀은 평면 원자 구조 및 독특한 전자 구조 덕분에 여러 분야에서 주목을 받고 있다. 특히, 이차원의 그래핀 고유 특성을 연구하기 위한 전계 효과 트랜지스터(FET; Field Effect Transistor) 및 높은 인장강도의 그래핀 박막, 그리고 얇은 두께의 장점을 활용한 울트라커패시터(ultracapacitor) 및 투명 전도성 박막등의 분야가 있다. 미국 IBM의 Thomas J. Watson Research Center 및 University of California의 연구진은 공동으로 그래핀을 이용한 플래쉬 메모리(GFM; Graphene Flash Memory)를 개발했다. 연구 결과는 2011년 8월 22일자 ACS Nano지에 “Graphene Flash Memory”란 제목으로 게재됐다.

연구진은 그래핀 플래쉬 메모리의 전기적 특성을 분석하기 위해, 그림 1과 같은 공정을 따라 다량의 소자를 제작했다. 먼저, 보론(B; boron)이 도핑된 실리콘 기판을 피라나 용액(piranha solution, H2SO4+H2O2)을 이용해 클리닝하고, 자연적으로 발생하는 산화층을 제거하기 위해 BOE(Buffered Oxide Etchant, HF+NH4F+H2O)에 담궜다. 그리고 1000도에서 약 7초간 급속열산화법(RTO; Rapid Thermal Oxidation)을 통해 5 nm 두께의 산화실리콘층을 형성했다.

이번 연구에 활용된 그래핀은 25 um 구리 호일 위에 메탄(CH4) 100 sccm, 수소(H2) 25 sccm을 주입하여 통상적인 화학기상증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition)을 통해 성장한 것으로, 성장전 수소 주입과 함께 촉매금속의 사전 열처리를 통해 그레인 크기를 확장시켰다. 1000도에서 성장 과정을 진행한 후, 분당 20도의 속도로 냉각을 진행하고 PMMA(polymethylmethacrylate)를 이용해 앞에서 준비해 산화실리콘층 위에 그래핀을 옮겼다.

옮겨진 그래핀의 퀄리티는 그림 2.의 (e,f)에서 나타난 라만 스펙트럼을 통해 확인할 수 있다. 그리고 원자층증착법(ALD; Atomic Layer Deposition)을 이용해 35 nm 두께의 산화 알루미늄층을 증착하며, 마지막으로 전극 형성을 통해 소자 제작 공정을 마무리했다.

플래쉬 메모리 소자는 크게 두가지로 나눌 수 있는데, 첫번째로는 현재 널리 이용되고 있는 floating-gate (FG) 플래쉬 메모리가 있고, 두번째로는 이머징 테크놀로지인 charge-trap (CT) 플래쉬 메모리가 있다. 통상적으로 폴리실리콘을 이용하는 FG 소자는 프로그램/소거 전압(program/erase voltage)이 약 20 V로 매우 크다. 이는 폴리실리콘 내에 낮은 상태밀도(DOS; Density of State) 때문에 높은 GCRs을 요구하게 된다. GCRs이란 gate-coupling ratio의 약자로, 산화 터널링층, 즉 이 소자에서는 산화 실리콘층과 전체 채널과 게이트를 통과하는 전압 사이에 발생하는 전압 강하 비율을 의미한다.

반면에 그래핀은 반금속(semimetal)의 특성을 지니기 때문에 높은 상태밀도를 갖게 된다. 금속의 경우는 안정적인 공유결합을 이루고 있는 그래핀 시트에 비해, 금속 원자의 이동이 발생하기 때문에 소자로 활용하기에 불안정하다.

그 림 3.(b)은 단일층 그래핀(SLG; Single Layer Graphene)을 적용한 GFM 소자의 특성으로, 7V의 프로그램/소거 전압 범위에서 2V의 메모리 윈도우를 나타낸다. (a)에서 나타난 다중층 그래핀(MLG; Multi Layer Graphene) 소자의 경우 그래핀 층의 두께가 상대적으로 두껍기 때문에 넓은 메모리 윈도우를 갖게 된다.

SLG 를 이용한 플래쉬 메모리는 -3.89 V의 초기 문턱 전압을 나타내는데, 이는 MLG 소자의 -1.33 V보다 상당히 큰 값이다. 이러한 큰 문턱 전압은 그래핀이 대기중의 분자, 소자 패터닝에 활용되는 포토레지스트(photoresist), 그리고 상부에 놓인 산화 알루미늄에 의해 p-type으로 도핑됐음을 의미하는 것이다. 또한 그래핀의 결함에 의해 산화 실리콘층과 그래핀층 계면에 계면 준위(interface state)를 형성하거나 산화층의 댕글링 본드(dangling bond)에 의해 추가적인 p-type 도핑이 가능하다. MLG는 SLG에 비해 상대적으로 그 효과를 상쇄시킬 수 있기 때문에 문턱 전압이 낮게 나타나는 것이다.

이 밖에도 제작된 그래핀 플래쉬 메모리 소자는 긴 보존시간(retention time), 그리고 개별 메모리간 낮은 간섭등 여러 장점을 바탕으로, 그래핀의 잠재력을 다시 한번 입증시킨 결과로 평가된다.

그 림 1. 그래핀 플래쉬 메모리 제작 과정. (a) 피라나 용액과 BOE를 이용한 실리콘 기판 클리닝. (b) 급속열산화법을 이용한 산화실리콘층 형성. (c) 화학기상증착법을 이용해 성장된 그래핀 전사(transfer). (d) 원자층증착법을 통한 산화알루미늄 증착. (e) 통상적인 포토리소그래피를 이용한 전극 형성. (f) Cl2 건조 식각 및 산소 플라즈마 식각 공정을 통해 소자의 각 소자의 isolation.

그림 2. 그래핀 플래쉬 메모리 소자의 절단면 투과전자현미경 이미지. (a, b) 다중층 그래핀 위에 35 nm 두께로 형성된 산화알루미늄층이 형성된 소자 및 그 확대 이미지로, 산화 실리콘 층의 두께는 약 5 nm임을 알 수 있다. (c, d) 단일층 그래핀 위에 형성된 GFM 소자의 TEM 이미지. (e, f) 산화 실리콘 위에 올려진 다중층 그래핀, 단일층 그래핀의 라만 스펙트럼.

그림 3. 제작된 GFM 소자의 정전용량-전압(Capacitance-Voltage) 측정. (a, b) 각각 다중층 그래핀, 단일층 그래핀을 이용한 경우이며, 삽입된 그래프는 그래핀이 없는 경우의 특성이다.

일본 산업기술총합연구소 에너지기술연구부문의 연구그룹은 다이아몬드 반도체를 이용하고 전력증폭 작용을 가지는 바이폴라 트랜지스터를 세계 최초로 제작했다고 밝혔다. 이번 연구에서는 저저항 다이아몬드 박막을 이용하여 디바이스 제작 공정을 개선함으로써 세계에서 처음으로 전력증폭이 가능한 바이폴라 트랜지스터를 제작하는 데 성공한 것이다. 이러한 결과는 차세대 다이아몬드 파워소자 개발을 크게 촉진시킬 것으로 기대된다. 한편 이번 성과의 자세한 내용은 2011년 9월 5일부터 독일에서 개최되는 제22회 다이아몬드 유럽학회에서 발표될 예정이다.

에너지 절감에 의해 이산화탄소의 배출량을 줄이기 위해서는 재생가능한 에너지를 적극적으로 도입하거나, 스마트그리드 등을 이용하여 전력을 자유자재로 제어할 필요가 있다. 또한 전력을 제어하기 위한 파워 디바이스를 고효율화하는 것도 에너지 절감량을 결정하는 매우 중요한 요소가 되고 있어 고성능 파워 디바이스의 개발이 전세계적으로 매우 활발하게 이루어지고 있다. 고성능 파워 디바이스를 실현하기 위한 새로운 반도체 재료로서 절연내압이나 열전도율이 뛰어난 실리콘 카바이드(SiC)와 질화갈륨(GaN)가 개발되어 현재 주로 사용되고 있는 실리콘반도체를 대체하려는 노력이 이루어지고 있다. 다이아몬드는 SiC나 GaN보다 더욱 절연내압과 열전도율이 뛰어나다는 점에서 다이아몬드를 이용한 혁신적인 초저손실 파워 디바이스의 실현이 기대되어 왔다.

일반적으로 다이아몬드는 전기저항이 크고 절연체에 가까운 반도체이지만, 보론(B)이나 인(P)을 도입함으로써 전기저항을 작게 할 수 있다. 보론이 들어간 다이아몬드는 블루다이아몬드의 형태로 자연계에도 존재하며 정공이 플러스의 전하를 수송할 수 있는 p형 반도체이다. 또한 자연계에는 존재하지 않지만 인을 혼입하면 자유롭게 이동하는 전자가 발생하여 마이너스의 전하를 수송할 수 있는 n형 반도체가 된다. 일반적으로 반도체 디바이스를 제작하기 위해서는 p형과 n형 반도체 모두가 필요하며, 다이아몬드에서도 p형과 n형 반도체를 만들 수 있지만, 다이아몬드의 유전율이 다른 반도체에 비해 매우 작기 때문에 이동이 가능한 전자와 정공의 양이 작고 흐르는 전류가 매우 작다는 문제가 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 대량의 불순물을 첨가하고, 결함의 발생을 적극적으로 억제한 저저항 다이아몬드 박막을 제작하는 데 성공하였다. 불순물을 고농도로 첨가한 다이아몬드에서는 전자나 정공이 이동함으로써 전류가 흐르지만, 이러한 전자나 정공의 이동 방법은 일반적인 반도체 디바이스에서 볼 수 있는 밴드전도가 아니라, 호핑전도라고 불리는 특유의 메커니즘에 의한다. 따라서 다이아몬드 파워 디바이스를 개발하기 위해서는 호핑전도와 밴드전도를 잘 조합할 수 있는 아이디어가 필요하게 된다. 이번에 연구팀이 개발한 다이오드는, 고농도로 보론을 첨가한 p+층과 고농도로 인을 첨가한 n+층 사이에 불순물의 도입을 억제한 진성층(i층)을 위치시킨 구조를 취하고 있다. 이 다이오드에서는 10000A/cm2를 넘는 큰 전류밀도를 얻을 수 있었으며, 역방향으로 전압을 거는 경우에는 전류가 흐르지 않는 매우 양호한 반도체 특성을 나타내는 것을 확인하였다.

또한 이번에 개발한 트랜지스터는 고농도 불순물층인 p+층과 n+층, 불순물이 거의 들어있지 않은 i층과 함께 인의 농도를 조절한 n층을 사용하여 디바이스의 구조를 개선함으로써 제작한 것이다. 이 트랜지스터의 전력증폭 특성을 측정한 결과, 트랜지스터 입력에 대응하는 베이스 전류의 변화에 대해 출력이 되는 컬렉터 전류의 변화가 약 10배 정도가 되어, 전류의 증폭율이 10을 넘는 것을 확인할 수 있었다. 지금까지도 다이아몬드를 반도체로 이용한 바이폴라 트랜지스터를 제작한 예가 보고되었지만, 의미있는 전력증폭 결과는 확인된 바가 없다.

앞으로 전류의 밀도를 증가시키는 등, 소자의 성능을 더욱 향상시킬 필요가 있으나, 다이아몬드 반도체에서도 실온에서 바이폴라 동작에 의한 트랜지스터를 실현할 수 있었다는 것은 다이아몬드의 뛰어난 물성을 활용한 고성능 파워 디바이스의 실현에 매우 의미있는 결과로 평가된다. 앞으로 연구팀은 스마트그리드 등 다이아몬드 파워 디바이스를 사용할 수 있는 응용범위를 명확히 하고, 절연내압이나 전류밀도 등의 우위성을 확인함으로써 현재 산업기술총합연구소를 중심으로 산학관 공동으로 진행되고 있는 다이아몬드 파워 디바이스의 연구개발을 가속화 하고 이를 더욱 발전시켜 나갈 계획이다. 한편, 이번 연구는 과학기술진흥기구 전략적창조연구추진사업(CREST), 초저손실 파워 디바이스 실현을 위한 기반구축 프로젝트에서 [대전력밀도 전자디바이스 실현을 위한 n형 다이아몬드 반도체의 저저항화 및 오옴성 접합기술의 개발] 과제의 일환으로 수행되었다.

(그림1) 고농도 불순물을 사용한 바이폴라 다이오드 소자의 단면 모식도이다.
(그림2) 다이아몬드 바이폴라 트랜지스터 소자의 단면 모식도이다.
(그림3) 다이아몬드 바이폴라 트랜지스터의 전류-전압 특성이다.