국내 연구진이 지난 2005년 규명한 바 있는 모트 금속 절연체 전이(Mott MIT) 현상을 활용, 각종 센서 및 스위치에 널리 활용이 가능한 MIT 물질로 소자 대량생산 개발에 성공했다.

모트 MIT(Metal-Insulator Transition)란 부도체가 금속으로 또는 금속이 부도체로 변하는 현상을 말한다.
ETRI(한국전자통신연구원)는 MIT 소자가 널리 상용화 되기 위한 대량생산 기술인 대면적 웨이퍼 개발에 성공했다고 14일 밝혔다.

본 기술은 응용물리 및 재료공학분야 저널인 어플라이드 피직스 레터 머트리얼즈(Applied Physics Letters Materials)에 지난 2월초 게재되었다.

따라서 본 기술을 활용케 되면, MIT 소자의 생산단가를 절감, 값싸게 소자 생산이 가능해 전류가 새는 누설의 특성이 적고 불량소자 제조의 확률도 줄일 수 있게 된다. 향후 HTR(고효율 스마트 전력 트랜지스터), 화재감지기 및 센서, 조도 센서, 전력도선의 발열 감시용 소자, 리튬이온전지에 있는 파워소자 발열관리 등에 널리 활용될 전망이다.

ETRI 김현탁 박사 연구팀은 기존 2인치(inch) 웨이퍼로 MIT 소자를 연구용으로 생산해 왔는데, 이는 16,000여개의 소자밖엔 만들 수 없고 연구용이라서 값도 비싸며 생산 효율이 떨어졌다고 설명했다.

이번에 ETRI 김현탁 박사 연구팀과 ㈜모브릭이 공동으로 개발한 웨이퍼는 실리콘(Si) 기판위에 8인치 크기 소자를 최대 20만개 이상을 만들 수 있어 MIT 소자의 상용화에 성큼 다가서게 되었다고 말했다.

본 기술의 핵심은 가장 널리 사용되고 값이 싼 실리콘 기판면 위에 MIT 물질 박막을 올리면 실리콘 기판과 박막 사이 계면(界面)에 격자 불일치 현상이 일어난다. 이 계면을 연구진은 안정화된 물질인 AlN(질화알루미늄)을 사용, 실리콘과 MIT 물질사이의 격자 불일치를 조절한 것이다.

또한 연구진은 AlN 이외의 다른 물질을 사용할 경우, MIT 물질 박막과 기판 사이의 원소 확산 때문에 MIT 특성에 변화가 있었으나, AlN을 사용하면 특성변화가 생기지 않는다고 밝혔다.

이렇게 기판과 똑같이 정렬된 박막을 에피(Epitaxy) 박막이라고 하는데, 이 에피 박막을 김현탁 박사 연구팀이 처음으로 개발한 것이라고 ETRI는 설명했다.

특히 HTR(고효율 스마트 전력 트랜지스터)의 경우, MIT 기술로 조명용 LED 드라이버에 50만개가 적용되어 판매 되었으며 심장박동기에도 쓰이고 있다. HTR을 이용한 정전류 회로는 이미 미국특허도 받아 조명시장에서 널리 사용될 것으로 보고 있다.

아울러 정온식 화재감지기 시장에서도 MIT 화재 감지기가 현재는 약 50% 정도 국내 시장을 점유하고 있는데 올해 90% 까지 점유율을 높여 해외시장으로 진출 할 예정이라고 연구진은 밝혔다.

또한 전력도선 감시용 소자의 경우도 국내 기업과 기술이전을 타진 중에 있으며 올 상반기내로 기술이전이 진행될 것으로 보인다. 특히 철도분야의 전력차단기술로도 유망할 것으로 연구진은 보고 있다.

ETRI 김현탁 박사 연구팀은 본 소자가 리튬이온전지에 적용시 스마트폰이나 노트북내 파워 트랜지스터로 사용, 과열로 인한 부풀림 방지에도 효과적일 것이라고 설명했다.

아울러, 김현탁 박사 연구팀은 본 기술이 사물인터넷(IoT)시대를 맞아 인체 적외선용 센서시장에서도 각광을 받을 것으로 예측했다.

MIT 기술을 적용한 센서의 특징은 임계특성(점프 특성, 특정 온도에서 저항이 약 1000배~10000배 변화)을 갖는다는 것과 반도체 센서에 비해 감도가 최대 1천배 이상 좋다는 점이다.

ETRI 김현탁 박사는“MIT 소자의 응용범위인 열, 빛, 전기가 있는 곳에 쓰이는 MIT 소자의 대량생산 기술과 응용기술을 개발하고, 현재 도래하고 있는 사물인터넷 등 기술과 접목하여 고부가가치 MIT 기술을 새로운 성장동력으로 키워야 할 것이다”고 밝혔다.

한편, 김현탁 박사는 지난 2007년 사이언스에 논문을 게재하는 한편, 2008년 대한민국 특허 최고상인‘발명대왕상’을 수상한 바 있다. 김현탁 박사의 논문은 현재 4,535회 이상 전 세계적으로 인용되고 있다. 김현탁 박사가 2002년부터 게재한 MIT 관련 논문은 85편, 출원한 특허만도 국내 74개, 국제 193개에 달한다.

이번 발표된 논문의 1저자는 ETRI 소재부품창의연구실의 테티아나 연구원이며 김현탁 박사는 교신저자다.