[시사뉴스 정은주 기자] 아무것도 보이지 않는 허공에 손을 뻗으면 원하는 정보가 튀어나오고, 자동차 앞 유리에 내비게이션이 실행되는 모습을 영화나 공상과학이 아니라 현실에서 만날 수 있는 날이 다가오고 있다. 차세대 투명 디스플레이 실현을 위해서는 투명 산화물 반도체 내에서 전기가 흐를 수 있도록 빠르게 전자를 생성하는 간단한 공정이 필요한데, POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 연구팀이 그 방법을 찾았다.
POSTECH 신소재공학과 손준우 교수, 통합과정 윤다섭씨 연구팀은 페로브스카이트 격자구조 내에서 주석 금속을 ‘선택적으로 석출’하는 방법을 이용하여, 산소가 결핍된 페로브스카이트 주석 산화물 박막의 전기전도도를 획기적으로 향상할 새로운 전략을 제시했다. 이 연구성과는 최근 재료 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)’에 게재됐다.
페로브스카이트 결정 구조의 주석 산화물(BaSnO3)은 유리처럼 투명하면서도 금속처럼 상온에서의 높은 전기전도도와 전자이동도 때문에 차세대 투명 전자 소자나 자동차용 전력 반도체 소자로 응용할 수 있는 신소재로 여겨지고 있다. 이렇게 다양한 전자 소자 응용을 위해서는 주석 산화물 신소재 내에 도핑이라는 과정을 통해서 전자를 형성하고 이를 통해서 효율적으로 전기를 통하게 하는 과정이 필요하다.
반도체 내에서 전기를 통하게 하는 가장 손쉬운 방법은 고온에서 환원 열처리를 하는 방법이 있다. 환원 열처리를 통해서 격자 내 산소 결핍을 형성하고 이를 이용해 전자를 생성하는 방법인데, 이 방법은 전자 농도를 일관되게 제어하지 못하여 전기전도도를 극대화하지 못했다.
연구팀은 페로브스카이트 주석 산화물 박막의 환원 열처리 후 전기전도도를 극대화할 수 있도록 양이온 반응물의 조성비를 인위적으로 제어했고, 고온 환원 공정 후에 전자 농도를 관찰했다.
그 결과, 주석(Sn)이 과주입된 BaSnO3 박막에서 전자 농도가 높이 증가하는 것을 확인했다. 또한, 란타늄(La)을 추가적으로 도핑한 박막에서는 6000 Scm-1의 높은 전기전도도를 보이는 투명 산화물 반도체의 특성을 달성했다. 추가적인 분석을 통해서, 고온 환원 열처리 과정 중 격자 내에서 분리·석출된 백색주석(β-Sn) 나노 입자가 BaSnO3의 추가적인 전자 농도 증가에 큰 역할을 할 수 있음을 확인했다.
연구팀은 선택적인 금속 석출 현상을 이용함으로써 페로브스카이트 산화물 반도체 내에서 투명도를 저해하지 않으면서도 전기전도도를 증가시키는 새로운 방법을 보였다. 이렇게 개발된 전자 도핑 원리는 주석 산화물 반도체의 기능을 크게 개선함으로써 차세대 투명 반도체 소자, UV 검출기 소자, 자동차용 전력 반도체 소자로 응용될 수 있다.
연구를 주도한 손준우 교수는 “이 연구는 페로브스카이트 주석 산화물의 정확한 조성 제어 후 간단한 고온 열처리로 투명도를 유지한 채 전기전도도를 극대화할 수 있음을 보였다”며 “이 소재 원천기술을 이용할 경우, 차세대 투명 반도체 소자나 전력 반도체 소자의 전기전도도를 극대화할 수 있는 새로운 전략이 될 것이다”고 설명했다.
이 연구는 과학기술정보통신부 기초연구실, 중견연구사업 및 삼성전자 DS 전략산학과제의 지원으로 수행됐다.
