[뉴스프리존,대전=이기종 기자] 한국연구재단(NRF)은 한국과학기술원 전기및전자공학부 김용훈 교수팀이 현대 나노소자의 에너지 특성을 정확히 예측할 수 있는 이론을 확립하고 소프트웨어로 구현했다고 14일 밝혔다.

20세기 후반에 확립된 양자수송에 대한 표준이론은 나노소자를 채널영역과 그에 연결된 무한한 두 개의 전극으로 구성된 열린 양자계(open quantum system)로 기술한다.

이를 바탕으로 첨단 트랜지스터, 태양전지, LED 등 다양한 반도체 소자의 구동을 해석하려는 노력이 있지만 이 방법으로는 전도성 이외 무한한 전극이 포함된 소자의 에너지를 기술할 수 없어 에너지 소자의 설계에 활용하기에는 한계가 있다.

또 일상적으로 쓰는 가전제품에서는 전자가 입자적 성격을 띠고 옴의 법칙으로 대표되는 고전양식으로 흐르지만 최신 전자제품에 들어있는 첨단 나노소자에서는 전자가 양자적 특성을 띠고 전혀 다르게 움직인다.

이에 원자나 분자 수준에서 단위정보를 처리하는 신개념 반도체 소자나 수소전지 같은 차세대 에너지 소자의 설계를 위해서는 이 같은 미시세계에서의 전자 및 스핀의 양자수송(quantum transport) 특성을 반영하여 소자의 동작을 미리 예측하는 과정이 필수적이다.

이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 비평형 상태의 나노소자를 닫힌 양자계로 보고, 이 안에서의 양자수송 현상을 한 쪽 전극에서 다른 쪽 전극으로 전자가 광학여기(optical excitation) 되는 현상에 대응시키는 관점을 제안했다.

먼저 기존 열린 양자계에 대한 란다우어 관점에서 벗어나 전자의 양자수송 과정을 닫힌 양자계(closed quantum system) 내에서 한쪽 전극에서 다른 쪽 전극으로 전자가 광학 여기(optical excitation) 하는 현상에 대응시켰다.

이 새로운 관점을 기반으로 기존 평형상태에 대해 에너지 최소화 계산을 하는 전자밀도 범함수론을 확장하여 제1원리 계산 내에서 인가 전압 효과를 기술할 수 있는 새로운 방법론을 확립하고 다공간 제한탐색 밀도 범함수론(multi-space constrained-search DFT, MS-DFT)으로 명명했다.

개발한 MS-DFT 방법론을 차세대 반도체 소자 후보로 꼽히는 단일 분자 소자에 적용하여 기존 비평형 그린함수 계산과 동등한 수준으로 전압이 인가된 구동 상태 소자의 전기적 특성 및 전자 전도 특성을 예측할 수 있음을 보였다.

이 연구결과에 의하면 기존 비평형 그린함수 계산에서는 할 수 없었던 비평형 나노소자 에너지를 처음으로 보고했다. 

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업, 나노소재원천기술개발사업, 기초연구실지원사업, 글로벌프론티어 사업의 지원으로 수행됐고 재료분야 국제학술지 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)에 7월 1일 게재됐다.