고효율 전력 트랜지스터, 센서, 발열감시 소자, 파워 소자에 적용
지난 2005년에 국내 연구진이 규명한 모트 금속 절연체 전이(Mott MIT) 현상을 활용, 각종 센서 및 스위치에 널리 활용 가능한 MIT 물질(모트 MIT 물질은 화합물로, 금속 전자 구조를 가지며 절연체의 특성을 내고 많은 물질이 존재한다. 대표적인 MIT 물질로는 바나듐옥사이드(VO2)가 있다)로 소자를 대량 생산할 수 있게 됐다.
모트(Mott) MIT(Metal-Insulator Transition)란 부도체가 금속으로 또는 금속이 부도체로 변하는 현상을 말한다. 즉, 모트 금속-절연체(부도체) 전이 현상을 가리키며, 구조상전이를 겪지 않으면서도 부도체가 금속으로, 또는 금속이 부도체로 불연속적으로 바뀌는 현상이다.
MIT 소자 제조 효율 높여
MIT 소자는 MIT 현상을 이용하는 것으로 센싱과 제어 기능을 가진 스위치이다. MIT는 1949년 모트(Mott. 영국 캠브리지대학, 노벨 물리학상 수상) 교수가 ‘모트 금속-절연체 전이 현상’이론을 처음 예언했으며, 2005년에 ETRI(한국전자통신연구원)의 김현탁 박사가 실험으로 검증했다. ETRI는 올해 4월, MIT 소자가 널리 상용화되기 위한 대량생산 기술인 대면적 웨이퍼 개발에 성공했다고 밝혔다.
▲ 실리콘 기판 위에 성장된 MIT 물질 에피 필름의 MIT 특성과 MIT 웨이퍼
이 기술을 활용하면 MIT 소자의 생산 단가와 불량소자 제조 확률도 줄일 수 있다. 앞으로 HTR(Hyntak Transistor : 고효율 스마트 전력 트랜지스터), 화재감지기 및 센서, 조도 센서, 전력도선의 발열 감시용 소자, 리튬이온전지에 있는 파워소자 발열 관리 등에 널리 활용될 전망이다.
여기서 HTR은 MIT 소자와 트랜지스터가 결합한 MITR이 전력 트랜지스터에서 열 폭주 현상 방지(전력 트랜지스터 보호 기능)용 방열판(히트싱크) 기능으로 대체 사용됨에 따라 전력 트랜지스터가 소형화되고 열 폭주가 일어나기 어려워진 스마트 전력 트랜지스터를 의미한다. HTR의 H는 발명자의 이름인 현탁의 첫 문자이다.
ETRI의 김현탁 박사 연구팀은 기존 2인치 웨이퍼로 MIT 소자를 생산해 왔는데(연구용), 이는 16,000여 개의 소자밖에 만들 수 없고, 연구용이라서 값도 비싸며 생산 효율이 떨어진다고 설명했다. 이번에 ETRI 김현탁 박사 연구팀과 모브릭사가 공동 개발한 웨이퍼는 실리콘(Si) 기판 위에 8인치 크기 소자를 최대 20만 개 이상 만들 수 있어, MIT 소자의 상용화에 다가서게 됐다. 널리 사용되고 있으며 가격이 저렴한 실리콘 기판면 위에 MIT 물질 박막을 올리면 실리콘 기판과 박막 사이 계면(界面)에 격자 불일치 현상이 일어난다. 연구진은 이 계면을 안정화된 물질인 AlN(질화알루미늄)을 사용, 실리콘과 MIT 물질 사이의 격자 불일치를 조절했으며 이것이 이 기술의 핵심이라고 할 수 있다.
또한 연구진은 AlN 외에 다른 물질을 사용할 경우, MIT 물질 박막과 기판 사이의 원소 확산 때문에 MIT 특성에 변화가 있지만, AlN을 사용하면 특성 변화가 생기지 않는다고 설명했다. 이와 같이 기판과 똑같이 정렬된 박막을 에피(Epitaxy) 박막이라고 하는데, 이 에피 박막을 김현탁 박사 연구팀이 처음으로 개발한 것이다. 에피 박막은 기반의 물질 원자 위에 성장하려는 물질의 원자가 뒤틀리지 않고 나란히 바르게 성장하는 것을 의미한다. 에피 박막은 성장한 물질이 그 물질의 본질적인 특성을 내도록 한다.
▲ 마이크로급 MIT 소자 20만 개 이상을 포함한 8인치 MIT 웨이퍼
다양한 분야에 응용 가능한 MIT 소자
HTR의 경우, MIT 기술로 조명용 LED 드라이버에 50만 개가 적용돼 판매됐으며 심장박동기에도 사용되고 있다. HTR을 이용한 정전류 회로는 이미 미국 특허도 받아 조명시장에서 널리 사용될 것으로 전망된다. 아울러 정온식 화재감지기 시장에서도 MIT 화재 감지기가 국내 시장의 절반 정도를 점유하고 있는데 올해 90%까지 점유율을 높여 해외 시장으로 진출할 예정이다. 또한 전력도선 감시용 소자도 국내 기업과 기술 이전을 협의 중이며 올해 상반기 내에 이전이 진행될 것으로 보인다. 특히 연구진은 철도 분야의 전력차단 기술로도 유망할 것이라고 전망했다.
김현탁 박사 연구팀은 이 소자가 리튬이온전지에 적용됐을 때 스마트폰이나 노트북의 파워 트랜지스터로 사용, 과열로 인한 부풀림 방지에도 효과적일 것이라고 설명했다. 또한 이 기술이 사물인터넷(IoT) 시대를 맞아 인체 적외선용 센서 시장에서도 각광을 받을 것으로 예측했다.
MIT 기술을 적용한 센서의 특징으로는 임계 특성(점프 특성, 특정 온도에서 저항이 약 1,000배∼10,000배 변화)을 갖는다는 것과 반도체 센서에 비해 감도가 최대 1천 배 이상 좋다는 점을 들 수 있다. 김현탁 박사는 “MIT 소자의 응용 범위인 열, 빛, 전기가 있는 곳에 사용되는 MIT 소자의 대량 생산 기술과 응용 기술을 개발하고, 현재 도래하고 있는 사물인터넷 등의 기술과 접목해 고부가가치 MIT 기술을 새로운 성장 동력으로 키워야 할 것”이라고 강조했다.
김희성 기자 (npnted@hellot.mediaon.co.kr)
