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새로운 형태의 다이오드는 미래에 고주파수 데이터 흐름의 처리를 용이하게 할 수 있으며 동시에 전력을 생성하는 데 사용할 수 있다.
“이 다이오드는 스마트워치가 앞으로 수신된 데이터 흐름만으로 무선 충전되는 것을 가능하게 한다”

 

데이터로부터의 전력 :
새로운 형태의 다이오드는 미래에 고주파수 데이터 흐름의 처리를 용이하게 할 수 있으며 동시에 전력을 생성하는 데 사용할 수 있다. 이것은 실리콘으로 만들어진 기하학적 다이오드에 의해 가능하며, 그 모양만으로도 전자의 일방통행 거리가 된다. 연구원들이 사이언스 (Science)에 보고한 바와 같이, 이전의 일반적인 반도체 다이오드와 달리, 높은 AC 전압에서도 효과적으로 작동한다.

▲ 기하학적으로 특수하게 만들어진 다이오드는, 실리콘 채널의 깔때기 형태로 전자를 위한 정류기로서 작용한다. 이를 통해 WLAN의 변동하는 전기장을 전원으로 사용할 수 있다. © J. Custer

오늘날 다이오드는 DNA, 유기 물질 또는 고전적인 반도체 등 거의 모든 전자 장치에서 발견된다. 다이오드는 네트워크 공급의 교류가 일정한 전자 흐름(직류)으로 변환되도록 보장하기 때문이다. 다이오드는 컴퓨터 프로세서, LED 및 많은 센서에 반드시 필요하다.
지금까지, 다르게 도핑된 반도체들 사이의 인터페이스가 다이오드로서 사용돼 왔다.
이것들은 전자의 역류를 막는 전위 장벽을 만든다.

전자 대신 기하학적으로

그러나 전자를 위한 ‘일방 통행’을 구성하는 또 다른 방법이 있다. 기하학적 다이오드다.
도체의 형상만으로 전자가 한 방향으로만 흐를 수 있다. 노스캐롤라이나 대학 (University of North Carolina)의 제임스 커스터(James Custer)와 그의 동료들은 “이러한 기계적 기하 장벽은 저항을 증가시키지 않고 고주파 교류와도 작동한다”고 장점을 설명한다.

Custer와 그의 팀은 이제 실온에서 작동하고 40GHz(기가 헤르츠)의 주파수를 정류할 수 있는 실리콘으로 만들어진 기하학적 다이오드를 만드는 데 성공했다.
Custer의 동료 제임스 카훈(James Cahoon)은 “우리의 결과는 고주파수 응용을 위한 다이오드가 완전히 다른 패러다임에 따라 작동 할 수 있음을 보여준다”고 말했다.

실리콘 깔때기 모양의 나노 채널

특히, 새로운 기하학적 다이오드는 두께가 약 100nm(나노미터)이고 깔때기 모양으로 여러 지점에서 좁아지는 실리콘 채널로 구성된다. 이 폭이 줄어드는 자리 지나면 도체가 전체 두께로 갑자기 확장된다.
연구진은 특수한 유형의 결정 성장을 통해 새로운 형태의 실리콘 도체를 만들었다. 여기에는 금 나노 입자가 실리콘 단결정으로 형성된 도체 구조를 촉진한다.

완성된 다이오드는 전자가 좁아지는 방향으로 자유롭게 움직일 수 있게 하는 래칫형(ratchet-like) 형상을 갖는다. 반면에 반대 방향으로 다시 흐르는 전자는 좁은 지점의 가파른 가장자리에 차단돼 되돌아간다. Custer와 그의 팀 보고서에 따르면 이 테스트는 초기 테스트에서 100MHz(메가헤르츠)에서 최대 40GHz(기가 헤르츠)까지의 AC 전압에서 작동했다.

Custer는 “이 분야에 대한 많은 연구는 지금까지 저온에서 값비싼 재료로만 수행 됐다”고 설명했다. “그러나 우리의 연구는 실온에서도 비교적 저렴한 실리콘으로 만들어진 기하 다이오드가 놀라게 했다”고 밝혔다.

단 하나의 신호로 인한 전력 및 데이터

연구원에 따르면, 이러한 다이오드는 다양한 응용 분야에 사용될 수 있다.
이러한 일방통행 도체는 예를 들어 변동하는 전자기장의 에너지를 사용 가능한 전기로 변환 할 수 있다. 소형 전기 장치 또는 센서는 우리 아파트나 사무실의 일상공간에 있는 전기장을 통해 충전 할 수 있다.

Custer는 “이 다이오드는 스마트워치가 앞으로 수신된 데이터 흐름만으로 무선 충전되는 것을 가능하게 한다”고 말했다. 테스트에서 그들은 기하학적 다이오드의 도움으로 전기를 생산하기 위해 디지털 음악의 변조된 데이터 신호를 이용했다.
“이것은 단일 입력 신호가 동시에 데이터와 사용 가능한 전기를 공급할 수 있음을 보여준다.”라고 연구원들은 말한다.

(2020년 Science; doi : 10.1126 / science.aay8663)
출처 : University of North Carolina at Chapel Hill

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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