아주대 서형탁 교수팀, 신소재 투명 반도체 개발

 

아주경제(수원) 김문기 기자 =아주대학교 서형탁 교수(신소재공학과, 사진) 연구팀이 절연체인 두 나노결정 산화물을 접합해 전도도 조절이 가능한 투명 전자 신소재를 개발하는데 성공했다. 두 소재가 맞닿은 계면에서 2차원 전자구름이 형성돼 전도도가 최대 10¹³배까지 발생하는 특이 현상을 이용한 것이다.

현재 널리 활용되고 있는 투명 전자 소재는 인듐주석산화물처럼 여러 성분을 혼합한 복합 산화물이 주로 사용되고 있다. 하지만 복합 산화물 소재는 △투명도의 한계 △유연 기판 적용에 적합지 않은 고온 공정 수반 △자유로운 전도도 조절 등의 어려움이 있어 미래형 디스플레이와 IoT센서에 적용이 쉽지 않았다.

서 교수팀이 개발한 신소재는 상온에서 형성한 나노결정의 인듐산화물(In2O3) 박막위에 ‘원자층 증착방식(atomic layer growth, ALD)’으로 알루미늄산화물(Al2O3)을 쌓아올린 적층구조로 돼 있다. 이 적층구조에서 절연체인 두 소재가 맞닿은 두께 5nm이하의 계면 부분에서 전도도가 비약적으로 증가해 전도체가 되는 비전형적인 현상이 일어난다. 계면에서의 전도도는 증착 전의 상태보다 최대 10¹³배까지 증가하는 것으로 측정됐다.
 

연구결과 도식도

서 교수팀은 이 현상을 ‘주사투과전자현미경'으로 ‘원자단위 전자구조’를 분석해 두 박막의 좁은 계면에 인듐산화물과 알루미늄산화물이 뒤섞여 전자구름 현상이 형성되어 있고, 이 곳에서 ‘국부적 2차원 전자 전도현상’이 발생한 것을 밝혀냈다. ‘국부적 2차원 전자 전도현상’이란 아주 좁은 영역에 전자가 갇히면 전자 산란이 없어져 전류가 흐르게 되는 현상을 말한다.

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이 외에도 신소재는 100%에 육박하는 완벽한 가시광 투과율과 1년 이상의 공기 중 노출에도 특성 저하가 없어 내구성에도 장점을 가지고 있었다.

그동안 이종접합소재는 전도도를 제어할 수 있다는 장점 때문에 학계의 많은 관심을 받아왔지만 공정과정에서 필요한 단결정의 기판, 고온의 생산과정 그리고 화학적 불안정성, 상온에서의 특성 저하 등의 기술적 문제들 때문에 양산가능성은 낮은 것으로 평가됐다. 하지만 서 교수팀의 신소재는 현재 사용되고 있는 기술을 이용해 모든 한계를 극복하고 이론적 가능성을 실현시켰다는 점에서 ‘획기적’이란 평가를 받으며 화학과 물리 분야에서 최고수준의 저널인 ACS Nano(인용지수=13.334) 최신호에 소개됐다.

서형탁 교수는 "이번 신소재는 전도도의 조절이 자유롭고 투명해 전자소자의 핵심 소재로 적용할 수 있다”며 “무엇보다 기존의 반도체와 디스플레이 공정과 호환되는 방식이어서 즉시 상용화가 가능하다”고 강조했다.

한편 이 기술은 박사과정 이상연 씨가 제1저자로 참여했고, 한국연구재단의 나노소재원천기술사업의 지원을 받아 이뤄졌으며 국내·외 특허 출원 중이다.