머리카락 1만분의 1 크기 다이오드 구현…빛도 전류도 잡았다수 나노미터 접촉 면적에서 전류 제어·광응답 성능 구현차세대 나노 전자·광소자 핵심 원천 기술 확보- 부산대·성균관대·인하대 공동연구 “핀 끝 수준의 접촉 면적에서도 안정적 정류 및 광응답 관측” - 전도성 원자힘 현미경 탐침 이용…원자 수준 분석 위한 새로운 접근법 제시□ 국내 연구진이 머리카락 두께의 1만분의 1 수준에 불과한 초소형 나노 다이오드(전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 하는 전자 소자)를 구현하고, 우수한 정류(整流) 특성과 광응답 성능을 실현하는 데 성공하며 차세대 나노 전자기기와 광전 소자 개발에 중요한 돌파구를 마련했다. □ 부산대학교(총장 최재원)는 물리학과 김지희 교수 연구팀이 성균관대, 인하대와의 공동연구로, 전도성 원자힘 현미경(Conductive atomic force microscopy)*의 탐침(PtSi 팁)을 활용해, 접촉 면적이 6.82 nm²수준인 나노 쇼트키 다이오드(nano-Schottky diode)를 구현했다고 5일 밝혔다. □ 전자기기의 두뇌 역할을 하는 반도체 소자 중 ‘쇼트키 다이오드(Schottky diode)’는 금속과 반도체 사이의 경계면에서 전류를 일방향으로 흐르게 해주는 중요한 구조다. 그러나 이 구조를 더 작게 만들수록 전류 흐름이 왜곡되거나 원하는 특성이 사라지는 문제가 있었다. ○ 연구팀은 초평탄 금 전극 위에 놓인 2차원 이황화몰리브덴(MoS₂)에 CAFM 탐침을 마치 핀처럼 사용하여 직접 맞닿아 금속-반도체 접촉을 형성하는 구조로(그림1), 기존 다이오드보다 훨씬 좁은 공간에서도 정밀한 전류 제어에 성공했다. ○ MoS₂의 두께에 따른 전류-전압 특성 변화를 체계적으로 분석했고, 기존 대면적 접촉 기반 다이오드에 비해 현저히 높은 정류비**를 확인했다. 이는 공핍 영역***을 극도로 축소해 줌으로써 전류 흐름을 정밀하게 제어할 수 있었기 때문이다. ○ 또 해당 나노 다이오드는 전류 제어 소자뿐 아니라, 빛을 감지하는 광다이오드로서의 역할도 성공적으로 수행했다. 연구팀은 MoS₂의 두께 및 빛의 파장, 조사 위치에 따른 단락전류, 개방전압, 광전하 이동 양상 등을 실험적으로 분석해, 광전 효과가 극도로 작은 접촉 면적에서도 명확하게 발현됨을 실증했다. 이는 나노 구조에서도 내부 전위 장벽이 충분히 형성된다는 사실을 입증하는 결과다. □ 교신저자인 김지희 부산대 교수는 “접촉 면적을 수 나노미터 수준까지 줄이면 전하 흐름의 정밀 제어가 어려울 것이라는 기존의 통념과 달리, 오히려 더 높은 민감도와 정류 특성이 구현됨을 입증했다”며 “전자 소자의 물리적 성능을 원자 단위에서 측정·제어할 수 있는 새로운 기술적 기반을 제시한 것”이라고 설명했다. - 이어 “이러한 결과는 초소형 접촉과 소자 두께 조절을 통한 정류 특성, 광반응, 전하 이동 등을 체계적으로 분석한 사례로서, 향후 나노미터 수준의 통신 장치, 후각 센서를 포함한 헬스 모니터링 시스템, AI 기반 초소형 이미지 센서 및 뉴로모픽 소자 설계 등 다양한 차세대 응용 기술 개발에 중요한 기반을 제공할 것”이라고 강조했다. □ 이번 연구는 재료과학 분야의 권위 있는 국제 학술지 『스몰(Small)』 8월 14일자에 게재됐다. - 논문 제목: Ultimate Scaling of the Metal-MoS2 Interface Achieving High Performance Nanoscale Schottky Diodes via Conductive Atomic Force Microscopy (전도성 원자힘 현미경을 통한 금-MoS₂ 인터페이스의 궁극적 스케일링: 고성능 나노스케일 쇼트키 다이오드 구현) - 논문 링크: https://doi.org/10.1002/smll.202411380 □ 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF)이 추진하는 중견연구자지원사업과 글로벌 선도연구센터(IRC) 과제 연구비 지원으로 수행됐다. ※ 용어 설명* 전도성 원자힘 현미경(Conductive atomic force microscopy, CAFM): 전도성 팁을 이용해 시료 표면의 전류 흐름을 나노미터 수준에서 측정하는 AFM 기법이다. 일반적인 AFM의 표면 형상 측정 기능에 더해, 전기적 특성(전류, 저항, 전도도 분포 등)을 동시에 맵핑할 수 있어 나노소재의 전기적 분석에 유용하다.** 정류비(Rectification ratio): 다이오드에서 전류가 정방향으로 흐를 때와 역방향으로 흐를 때의 전류 비율을 나타낸다. 높은 정류비는 다이오드가 전류를 한 방향으로만 흐르게 하여 정류 특성이 뛰어남을 의미한다. 일반적으로 정류비가 높을수록 다이오드의 효율적인 전류 제어가 가능하며, 이는 전자 소자의 성능 향상에 중요한 요소이다. *** 공핍 영역(depletion region): 금속과 N형 반도체가 접합되면, 다수 운반체인 정공과 전자가 서로 반대 방향으로 확산된다. 이 과정에서 접합면 근처에 자유전하가 없는 영역이 형성되는데, 이 영역을 공핍 영역이라 부른다. 이 영역은 내부 전기장을 생성하여 다이오드의 특성을 결정짓는 핵심 구조의 역할을 한다. (그림1) 전도성 원자힘 현미경을 활용한 나노 쇼트키 다이오드의 구현. 접촉 면적과 MoS₂ 두께에 따른 밴드 정렬의 비교. (그림2) CAFM 기반 표면 및 전류 맵핑을 통한 MoS₂ 나노 쇼트키 다이오드 구현 결과.

광자 하나로 전하 두 쌍 생성…차세대 태양전지 돌파구 열다!단일층 2차원 반도체서 ‘전하 증폭 양자 한계치’ 구현- 부산대·성균관대·충북대 공동연구 “같은 양의 빛으로 에너지 생성 두 배 실현 가능성 제시” - 핫캐리어 탄도 확산이 양자효율 200% 증폭의 핵심…태양전지 성능 획기적 향상 기대 □ 국내 연구진이 기존 태양전지 효율의 한계를 뛰어넘을 수 있는 핵심 물리현상을 실험과 이론으로 동시에 입증하며, 차세대 고효율 태양전지 및 양자 광전 소자 기술 개발의 중요한 기반을 제시했다. □ 부산대학교(총장 최재원)는 물리학과 김지희 교수 연구팀이 성균관대, 충북대 연구팀과의 공동연구로, 단일층 2차원 반도체인 ‘이셀렌화 몰리브덴(MoSe2)’에서 이론적 한계치인 최대 전하 증폭(carrier multiplication) 효율을 실험적으로 구현하고 물리적 메커니즘을 규명하는 데 성공했다고 29일 밝혔다 (그림1). □ 전하 증폭은 하나의 광자에 의해 2개 이상의 전자-정공 쌍이 생성되는 현상으로, 태양전지의 이론적 효율 한계인 쇼클리-퀘이서 한계(약33%)를 극복할 수 있는 물리적 해법으로 주목받아 왔다. 하지만 대부분의 물질에서는 흡수된 에너지가 매우 짧은 시간 안에 열로 소실되기 때문에 실제 구현이 어려웠다. □ 이번 연구에서는 펨토초(1조분의 1초) 수준의 초고속 시간·공간 분해 측정 기술을 활용해, MoSe₂단일층에서 빛에 의해 생성된 핫캐리어1)들이 격자나 결함과의 충돌 없이 수 마이크로미터 거리까지 빠르게 이동하는 탄도 확산(ballistic diffusion)2)현상을 실시간으로 관측했다(그림2). 이러한 에너지 손실 없는 전하 확산은 전하 증폭이 가능한 최적 조건을 제공하며, 광자 하나가 전하 두 쌍을 생성하는 양자 효율3) 200% 증폭을 달성했음을 실험적으로 입증했다. □ 또한, 연구팀은 밀도범함수 이론4) 기반의 전자 구조 계산을 통해, MoSe₂ 단일층에서 전하 증폭이 발생할 수 있는 구조적 조건을 이론적으로 규명했다. ○ MoSe₂ 단일층 밴드갭의 두 배 되는 이 특정한 에너지 영역에서 밴드 네스팅5)과 밸리 대칭성6)라는 특정 조건을 갖춤으로써, 전하를 증폭할 수 있는 유리한 조건을 형성했다. □ 김지희 부산대 교수는 “이번 연구는 2차원 반도체가 다른 차원 구조보다 전하 증폭 효율이 더 높을 것이라는 이론적 한계치 예상을 최초로 실험적으로 입증했다”며 “2차원 소재의 구조적·전자적 특성이 전하 증폭 효율 향상의 핵심이라는 사실을 정량적 실험과 이론 계산을 통해 동시에 증명한 것”이라고 설명했다. - 이어 “이러한 결과는 2차원 반도체가 고효율 에너지 변환의 핵심 소재가 될 수 있음을 명확히 제시했으며, 향후 차세대 태양전지, 양자 광전 소자, 초고속 센서 및 양자 정보처리 기술 등 다양한 응용 기술 개발에 중요한 기반을 제공할 것”이라고 강조했다. □ 이번 연구는 재료공학 분야의 저명한 국제 학술지 『머티리얼즈 호라이즌스(Materials Horizons)』 7월 1일자에 게재됐다. - 논문 제목: Hot carrier diffusion-assisted ideal carrier multiplication in monolayer MoSe2 (핫캐리어 확산 기반 단일층 MoSe2의 이상적 캐리어 증폭) - 논문 링크: https://doi.org/10.1039/D5MH00230C 1)핫캐리어(hot carrier): 빛을 흡수한 직후 매우 높은 운동 에너지를 가진 전자나 정공. 캐리어는 전자 또는 정공으로 전기를 운반하는 입자를 일컫는다. 2)탄도 확산(ballistic diffusion): 전자가 격자 결함이나 다른 전자, 포논과 충돌하지 않고 외부 간섭 없이 짧은 거리나 시간 동안 빠르게 이동하는 현상. 일반적인 물질에서는 전자가 산란되기 때문에 드물게 관측됨.3)양자 효율: 광자 1개가 들어왔을 때, 그로 인해 몇 개의 전기 신호(전자-정공 쌍)가 만들어졌는지를 나타내는 비율이다. 참고로, 여기서의 200%는 ‘양자 효율’이고, 앞서 언급한 쇼클리-퀘이서 한계의 33%는 ‘에너지 변환 효율’로, 직접적인 비교 대상은 아니다. 200% 양자 효율은 광자 1개로 전하 2개가 생성된다는 의미이고, 33%는 태양광 에너지 중 얼마나 많은 비율(100%를 넘을 수 없다)이 실제 전기로 변했는가를 뜻한다. 4)밀도범함수 이론(Density Functional Theory, DFT): 전자의 밀도 분포를 기반으로 물질의 전자 구조를 계산하는 양자역학적 이론. 5)밴드 네스팅(Band Nesting): 에너지 띠 구조에서 서로 평행하게 겹치는 부분이 존재하는 현상. 6)밸리 대칭성(Valley Symmetry): 2차원 반도체의 전자 구조에서 서로 다른 위치(밸리)들이 대칭적으로 존재하는 특성 (그림1) 단일층 MoSe2에서의 빛에 의해 생성된 전자가 캐리어증폭을 통해 100% 증폭 효율을 달성하며, 전하 생성률 200% (양자효율기준)를 구현한 결과 (그림2) 단일층 MoSe2에서의 전하 증폭 메커니즘: 초고속 빛 흡수-탄도확산-전하증폭의 3단계 과정

40년 전, 파인만은 복잡한 양자 시스템의 작동을 보다 단순하고 실현 가능한 다른 시스템을 통해 모사(simulation)할 수 있다는 아이디어를 제안하였다. 이 개념은 원자, 트랩 이온(trapped ions), 핵자기 공명(nuclear magnetic resonance)과 같은 비양자(non-quantum) 시스템에서의 물리적 또는 화학적 과정을 활용하여, 양자역학의 물리적 행동을 모사하는 이른바 ‘양자 에뮬레이터(quantum emulator)’의 탄생으로 이어졌다. 광자 양자 에뮬레이터(photonic quantum emulator)는 복잡한 양자 시스템의 행동을 모사하기 위해 광학적 방법을 활용하는 시스템을 의미한다. 한 예로, 광학에서의 근축(paraxial) 파동 방정식과 양자역학에서의 슈뢰딩거 방정식 사이의 수학적 유사성을 활용하여, 빛을 조절함으로써 양자 현상을 모사하는 것이다. 최근에는 시공간 구조광(spatiotemporally structured light)을 조작하는 기술이 발전하면서, 이를 이용한 양자 에뮬레이터 개발이 가능해졌다. Andy Chong 교수는 상해이공대학과의 협업을 통해 구면 대칭(spherical symmetry)을 가진 새로운 형태의 시공간 구조광을 생성하였다. 이 빛은 슈뢰딩거 방정식의 해와 동일한 파동함수 분포를 가지며, 두 개의 제어 가능한 양자수를 포함한다. 빛의 형상은 원자 내 전자 궤도함수(orbital)인 구면 조화 함수(spherical harmonics)의 형상을 띤다. 또한, 전자 궤도함수가 안정적인 것처럼, 이 시공간 구조광은 국소화(localized)되어 변형이 있더라도 다시 원래 모양의 전자 궤도함수로 돌아간다. 이러한 양자 에뮬레이터는 양자 물리학 연구에 새로운 통찰을 제공할 수 있으며, 빛-물질 상호작용 및 양자 광학 연구에 새로운 응용 가능성을 열어줄 수 있다. 본 결과는 Andy Chong 교수가 교신저자로 ‘Spatiotemporal photonic emulator of potential-free Schr?dinger equation‘ 의 제목으로 국제학술지 eLight (IF=32.1) 에 게재되었다. 논문링크: https://link.springer.com/article/10.1186/s43593-025-00096-8 본 연구는 과학기술정보통신부의 한국연구재단의 중견연구자사업, 교육부의 재원으로 한국연구재단 대학기초연구소지원사업(G-LAMP)의 지원을 받았다.

“숨쉬는 결정” 진형진 교수 연구팀, 차세대 산화물 신소재 개발연료전지·스마트 창문·열 소자 등 청정 에너지 산업에 ‘게임체인저’ 기대 한국과 일본의 과학자들로 구성된 공동 연구팀이 상대적으로 낮은 온도에서 산소를 흡수하고 방출할 수 있는 새로운 산화물 결정을 개발하는 데 성공했다. 이 결정은 낮은 온도에서 산소를 주고받으면서도 구조적 안정성을 유지하기 때문에 에너지 효율을 극대화할 수 있어 차세대 연료전지, 스마트 창문, 전자기기 등에 획기적인 전환점을 가져올 것으로 기대된다. 연구팀은 스트론튬(Sr), 철(Fe), 코발트(Co)를 조합해 만든 금속 산화물이 단순한 가스 환경에서도 반복적으로 산소를 흡수·방출할 수 있고, 이 과정에서도 재료가 분해되지 않으며 안정적인 구조를 유지한다는 사실을 입증했다. 이번 연구를 주도한 진형진 교수(물리학과)는 “이 결정은 마치 폐처럼 작동하여, 필요에 따라 산소를 들이쉬고 내뱉는 독특한 기능을 갖는다”며 “이러한 산소 제어 능력은 고체 산화물 연료전지(SOFC) 등에서의 응용 가능성이 매우 크다”고 설명했다. 이 재료는 특히 기존 SOFC가 작동하는 극한 조건(예: 800도 이상) 대신, 상대적으로 온화한 환경에서도 산소를 안정적으로 조절할 수 있다는 점에서 큰 주목을 받고 있다. 또한, 기존의 문제였던 재료의 취약성과 비가역성도 극복했다. 또한 연구팀은 산소가 다시 결정에 주입될 때, 결정 구조가 원래 형태로 완전히 되돌아오는 가역성을 실험을 통해 증명했다. 공동 저자인 Hiromichi Ohta 교수(일본 홋카이도대 전자과학연구소)는 “이 소재는 실시간으로 스스로 구조와 산소량을 조절하는 ‘스마트 재료’ 개발의 핵심 요소가 될 것”이라며 “청정 에너지는 물론, 전자기기, 환경 친화 건축 소재 등 다양한 분야에서 응용 가능성이 열려 있다”고 덧붙였다. 이번 연구 성과는 향후 탄소 중립을 위한 신재생 에너지 기술에 실질적인 기여를 할 수 있는 기반 기술로 평가받고 있으며, 관련 산업계와 학계의 높은 관심이 예상된다. 이번 결과는 부산대 물리학과 출신 연구자들이 많은 기여를 하였다. 제1저자로 이준혁 박사 (현. 화학연구원), 공저자로 서유성 박사 (현. 성균관대 물리학과), 류상균 박사 (현. 부산대 BK21+ 미리기반 창의적 물리인재 양성사업단), 김고운 박사 (현. 삼성전기), 정혜윤 석사과정생 (부산대 물리학과)로 들 수 있다. 또한, 다양한 형태로 협업이 이루진 결과물로 부산대 물리교육학과 조진형 명예교수, 가천대 윤상문 교수 연구팀, 포항가속기연구소 김영학 박사, 일본 홋카이도대의 Hiromichi Ohta 교수가 공저자로 참여하였다. 본 연구결과는 2024년 부산대 물리학과-홋카이도대 전자과학연구소와의 MOU 협약 이후 나온 주요 연구결과물로 향후 두 기관의 협력이 기대된다. 본 결과는 진형진 교수가 교신 저자로 역할 수행을 했으며, “Selective reduction in epitaxial SrFe0.5Co0.5O2.5 and its reversibility” 논문명으로 국제학술지인 Nature Communications 지에 8월 15일에 게재되었다. 논문링크: https://www.nature.com/articles/s41467-025-62612-1 해당 연구는 과학기술정보통신부의 한국연구재단의 중견연구자사업, 교육부 의 한국기초과학지원연구원 국가연구시설진흥센터의 인프라 고도화 사업, 한국연구재단의 한일협력연구의 지원을 받았다. 사진 설명. (왼쪽 위부터 시계방향으로) 진형진 교수 (물리학과), 조진형 명예교수 (물리교육학과), 이준혁 박사 (물리학과 박사, 현. 한국화학연구원), 서유성 박사 (물리학과 박사, 현. 성균관대), 류상균 박사 (물리학과 박사, 현. BK21+ 미리기반 창의적 물리인재 양성사업단), 정혜윤 석사과정생 (물리학과 석사과정), 김고운 박사 (물리학과 석사, 현. 삼성전기), Hiromichi Ohta 교수 (일본 홋카이도대)

2025년 6월 30일, 김정남 명예교수는 부산대학교 재직 기간동안 성장시킨 단결정 4종을 본교 물리학과에 기증하였다. 이번 기증은 2022년경 물리학과 첨단기술 기사 인터뷰 당시 기증 의사를 밝힌 이후 성사된 것이며, 학과와 후배들에게 매우 가치로운 선물로 여겨질 것이다. 기증 이후진행된 간담회에서는 물리학과의 초창기 상황과 역사에 대해 다양한 이야기를 전달해주었다. 김정남 명예교수는 물리학과가 ‘수물학과’ 였던 1955년도에 입학하여 동대학원에서 박사학위를 받고, 부산대학교 물리학과 교수로 1965년도부터 재직하여 2002년도에 정년퇴임 하였다. 학과 초기부터 함께하여 학과의 초창기역사와 가치에 대해 언급하였다. 이번에 기증된 단결정은 총 4종으로 베루누이 방법으로 제작된 화이트사파이어 (gamma 상의 Al2O3)단결정, 스타루비 (Cr2O3도핑된 Al2O3, 1965년 추정) 단결정, 수열합성법을 이용해 제작된 인공수정 (SiO2, 1968년 추정) 단결정, 초크랄스키법을 이용해 제작한 리튬 나이오베이트 (LiNbO3,1991년) 단결정을 기증하였다. 물리학과 초창기, 단결정 성장은 학과의 주된 연구 방향이었으며 그는 이러한 학과의 발전에 기여한 주요 인물로 평가된다. 그가 들려준 다양한 일화들 중 몇 가지는 다음과 같다. 한국 전이후 UNKRA* 원조로 교내에 들어온 각종 실험 장비의 실태와 교내 장비를 고쳐준 일화, NaCl, KCl 단결정 제작을 위해 연탄 화덕을 이용한 일화, 사파이어단결정 성장을 위해 진양화학에서 원료를 수급한 이유, 수열 합성용 오토클래이브(Autoclave) 제작에 월남전 대포 포신을 활용한 일화, 인공수정제작을 위해 미문화원에서 영상필름을 빌려서 활용한 일화, 부산대학교 전기기사가 단결정 성장에 기여한이유, 그 외 많은 학교/학과 이야기를 하였다. 사진 설명: 좌측부터, 단체사진(진형진교수, 김정남 명예교수, 김동진 실험교수), 사파이어를 설명중인 김정남 명예교수, 베르누이 단결정 성장장치, 해당장치에서 최초로 만들어진 사파이어 단결정, 리튬나이오베이트 단결정*유엔 한국 재건단 (United Nations Korea Reconstruction Agency, UNKRA): 대한민국의 재건을위해 설립된 유엔 기구로 원조자금 관리, 기자재 지원 등의 업무를 하였다. (위키피디아 참조)