반도체 전문 온라인 매거진 - 올포칩

글/ 리암 크리칠리(Liam Critchley)

제공/ 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

(출처: Bryan Mullennix/Tetra Images - stock.adobe.com)

피에조일렉트릭(압전) 소자는 기계적 스트레스나 하중이 가해졌을 때 전기 전하를 발생시키는 소자들을 총칭하는 것이다. 어떤 형태의 물리적 변형이든 전기 전하를 발생시킨다. 피에조일렉트릭 소자는 다양한 애플리케이션과 전자 시스템에 활용되고 있다.

피에조일렉트릭 소자는 여러 하위 부류로 구분할 수 있다. 그 한 가지가 피에조트로닉스(piezotronics)이다. 피에조트로닉스 안에서도 다시 하위 부류들로 구분할 수 있는데, 그 중의 하나가 피에조-포토트로닉스(piezo-phototronics)이다. 피에조-포토트로닉스 소자는 피에조트로닉스의 원리를 바탕으로 하되 광전자 및 포토닉 애플리케이션에 사용하기에 적합하도록 만들어진 것으로서, 일반적인 피에조일렉트릭 원리를 사용해서 특정한 상황에서 새로운 효과들을 나타낸다.

피에조-포토트로닉 소자는 피에조트로닉스 효과를 기반으로 하며, 피에조전위(piezopotential)를 게이트 전압으로 사용해서 소자의 전하 캐리어 특성을 조절하고 제어한다. 다만 피에조트로닉 시스템과 피에조-포토트로닉 시스템에 사용되는 소재들 사이에 가장 큰 차이점은, 피에조-포토트로닉 소재는 빛에 대해서도 반응적이라는 것이다.

피에조-포토트로닉 시스템은 1D 반도체 나노소재를 사용한다. 이러한 나노소재로 피에조일렉트릭 효과가 전압 전위를 발생시키면, 이 전위를 사용해서 다양한 전자 시스템을 조절하고 제어할 수 있다. 이 글에서는 피에조-포토트로닉 소재들은 어떤 것이고 이러한 소재들을 다양한 광전자 소자에 어떻게 활용할 수 있는지 설명한다.

피에조-포토트로닉스란 무엇인가?

피에조-포토트로닉스는 피에조-포토트로닉 효과를 활용한 것이다. 피에조트로닉 소자가 센싱과 컴퓨팅 애플리케이션에 사용하기 위한 것이라면, 피에조-포토트로닉 소자는 광전자 애플리케이션에 사용하기 위한 것이다. 피에조-포토트로닉 시스템은 피에조일렉트릭, 반도체, 포토닉 특성을 결합한 것이다. 피에조-포토트로닉스의 원리를 이해하기 위해서는 이것의 뼈대가 되는 피에조일렉트릭(압전) 원리를 이해하는 것이 필요하다.

피에조트로닉 소자와 피에조-포토트로닉 소자를 비롯한 모든 피에조일렉트릭 소자는 피에조일렉트릭 효과를 활용한 것이다. 피에조일렉트릭 효과는 어떠한 물질로 기계적 스트레스, 스트레인, 변형이 가해졌을 때 이 물질로 전기 전압을 발생시키는 것이다. 격자 내의 이온들이 재배열해서 이 물질의 한쪽으로는 양전하를 발생시키고 또 다른 쪽으로는 음전하를 발생시킨다.

이렇게 전하들이 재배열됨으로써 비-중심대칭 물질로 큰 쌍극자 모멘트(dipole moment)를 발생시킨다. 그럼으로써 피에조일렉트릭 전위라고 하는 전기 전위를 발생시킨다.

이 전위가 피에조트로닉 및 피에조-포토트로닉 소재의 기본 원리이자 특징이다. 다만 광 소자와 광전자 소자에 이 원리를 적용했을 때 이것을 피에조-포토트로닉 소재라고 한다. 그러므로 피에조-포토트로닉스에 사용되는 소재는 약간의 광여기(photoexcitation) 특성을 나타내야 하고, 피에조트로닉 소자는 그럴 필요가 없다.

또한 피에조-포토트로닉 소자는 광 유도 전류와 함께 사용된다. 그리고 특정 시점에 소자를 통해서 얼마나 많은 전류가 흐르도록 할지 조절하는 방법으로 이들 소재를 활용해서 다양한 광전자 소자의 성능을 향상시킬 수 있다. 광여기를 필요로 한다는 점과 광전자 소자에 사용한다는 점에서 피에조-포토트로닉 애플리케이션에 사용하기 위한 소재들로서 ZnO, GaAs, InN 나노와이어가 주로 검토되고 있다.

태양 전지에 피에조-포토트로닉스 활용

피에조-포토트로닉 소재를 활용할 수 있는 대표적인 애플리케이션으로 태양 전지를 들 수 있다. 피에조트로닉 원리를 활용한 태양 전지는 금속-반도체 계면이나 p-n 접합을 기반으로 하고, 두 소재의 접합부에서 공핍 영역을 형성한다. 이 공핍 영역은 중성 전하 종으로 가득 차고, 광자에 의해서 생성된 전자-정공 쌍들이 접합부 양쪽에서 분리된다.

태양 전지는 공핍 영역으로 높은 전계를 사용해서 양성을 띠는 정공과 음성을 띠는 전자 전하 캐리어의 분리를 보조한다. 그러다 광자가 접합부를 타격하면 전하 캐리어들이 에너지를 얻고 접합부를 가로질러서 이동함으로써 공핍 영역을 무너뜨리고, 마침내 충분한 전하 캐리어들이 재결합하면 두 전하 캐리어 종 사이에 다시 한 번 장벽을 형성한다. 이 시점이 되면 광자들이 제거되고, 전하 캐리어 이동을 위한 에너지 소스가 제거됨으로써 전하 캐리어들이 재결합한다.

태양 전지 접합부로 피에조-포토트로닉 소재를 사용하면, 스트레인이 가해졌을 때 생성된 분극 전하들이 계면에서 전자 띠 구조를 변화시킬 수 있다. 접합부로 전자 띠가 변형됨으로써 쇼트키 장벽(Schottky barrier)이라고 하는 단절을 일으킨다. 이 장벽은 계면에 얼마나 가까운가에 따라서 높이가 달라진다. 이 쇼트키 장벽 높이가 접합부를 가로질러서 얼마나 많은 전하 캐리어들이 이동할지에 중대하게 영향을 미친다. 이 이동은 계면 가까이에서 전자 띠에 따른 함수이기 때문이다.

스트레인이 가해졌을 때 분극 전하를 활용해서 띠 구조를 가능하게 하고 접합부를 가로질러서 전하 캐리어 생성, 분리, 이동을 더 잘 제어할 수 있다. 다시 말해서 전도 띠와 원자가 띠를 낮출 수 있다는 뜻이다. 그러므로 결과적으로 접합부의 쇼트키 장벽 높이를 낮추고 전자와 정공의 분리를 가속화하고 재결합 가능성을 낮출 수 있다. 그러므로 접합부를 가로질러서 전하 캐리어들을 제어하고 조절하는 방법으로 피에조-포토트로닉 소재가 태양 전지의 성능을 제어하고 향상시키고 전력 변환 효율(PCE)을 높일 수 있는 수단을 제공한다.

광검출기에 피에조-포토트로닉스 활용

광검출기의 작동 원리는 p-n 접합부나 쇼트키 장벽을 가로질러서 광자에 의해서 생성된 전자-정공 쌍들의 분리를 기반으로 한다. 그러므로 쇼트키 장벽의 높이가 소자의 민감성을 결정하는 중요한 요소이다. 태양 전지와 마찬가지로, 피에조-포토트로닉 소재로 스트레인을 유도함으로써 쇼트키 장벽 높이를 낮출 수 있다. 그럼으로써 전하 캐리어가 접합부를 가로질러서 더 손쉽게 이동할 수 있도록 한다. 그러므로 민감도가 더 높은 광검출기를 만들 수 있으며(특히 UV 광검출기) 약한 조도로도 광검출기를 이용할 수 있도록 한다.

결과적으로 피에조-포토트로닉 소재를 사용해서 약한 조명으로도 광검출기 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 그러면서도 유도된 스트레인이 강한 빛 조명에 대한 민감도에 거의 영향을 미치지 않는다. 실제로 조명이 강해지면 광검출기는 더 나쁘게 동작할 수 있다. 새롭게 생성된 전하 캐리어들이 누적되어서 피에조전위를 차단하고 낮추기 때문이다.

그러므로 광검출기로 피에조-포토트로닉스 소재를 활용하는 것은 약한 조명 광검출기에 좀더 적합하다. 피에조전위를 사용해서 쇼트키 장벽 높이를 조절하고 제어함으로써 검출기 성능과 반응도를 조절할 수 있다. 특히 조도가 낮을 때 그렇다. 이것은 피에조-포토트로닉 스트레인에 의해서 유도된 전하가 암전류(입사 광자 플럭스가 없을 때 검출기를 통해서 흐르는 전류)에 영향을 미치지 않기 때문이다. 그러므로 낮은 조도 검출에 유리하다. 소자의 낮은 암전류 특성을 유지하기 때문이다.

LED에 피에조-포토트로닉스 활용

LED에도 피에조-포토트로닉스를 활용할 수 있다. 이 글에서 열거한 다른 기술들과 마찬가지로, 피에조-포토트로닉 LED 역시 효율적인 캐리어 주입, 재결합, 여기를 통해서 효과적으로 동작할 수 있다. 또한 마찬가지로 피에조-포토트로닉 효과를 활용해서 LED 효율을 향상시킬 수 있다. 이것은 포워드 바이어스 전압 시에 (재결합하면서 형성되는) 공핍 영역 폭과 내부 자계가 감소하기 때문이다. 또한 소자로 스트레인이 가해지고 피에조-포토트로닉 소재가 피에조전위를 발생시킬 때 동일한 포워드 전압으로 주입 전류와 발광 세기를 높일 수 있다.

맺음말

피에조-포토트로닉 소재는 피에조트로닉 소재와 많은 특성이 공통적이고, 동일하게 피에조전위를 활용해서 반도체 계면에서 전하 캐리어와 전기 전류를 조절할 수 있다. 이들 소재의 광여기(photoexcitation)와 광반응도(photoresponsivity) 특성은 다양한 광전자 소자에 활용하기에 적합하다. 1D 반도체 나노와이어를 통해서 피에조일렉트릭 전하를 생성하는 것이 태양 전지, LED, 광검출기 성능을 향상시키고 제어할 수 있는 새로운 수단들을 제공한다.

저자소개

리암 크리칠리(Liam Critchley)는 화학과 나노기술을 전문으로 하는 기고가, 저널리스트, 커뮤니케이터로서, 분자 차원의 기초 원리를 다양한 영역에 어떻게 응용할지 알리는 역할을 하고 있다. 자신의 지식을 바탕으로 과학자들과 일반인 모두를 위해서 복잡한 과학적 주제를 쉽게 설명하고자 한다. 화학과 나노기술을 아우르는 다양한 주제와 산업 분야에 걸쳐서 350건 이상의 기사를 발표했다. 

유럽에서 나노기술 산업 협회(NIA)의 과학 커뮤니케이션 책임자이며, 몇 년 전부터 전세계 기업, 협회, 미디어 웹사이트를 위한 기고 기사를 쓰고 있다. 나노기술과 화학 공학으로 화학 석사학위를 취득했다. 

미국 국립 그래핀 협회(NGA)와 국제 기구인 나노테크놀로지 월드 네트워크(NWN)의 자문 위원이며, 영국의 과학 학술 단체인 GlamSci의 이사회 위원이다. 영국 나노의약 협회(BSNM) 및 국제 첨단 소재 협회(IAAM) 회원이다. 또한 다수의 학술 저널에 피어 리뷰어로 참여하고 있다.