수소 발생 이용 산화물 반도체 전기전도도 조절 성공

아주대 서형탁 교수팀, 고효율 대면적 반도체·투명전극 개발가능성 열어

국내 연구진이 수소 발생을 이용한 산화물 반도체 전기전도도 조절에 성공, 고효율 대면적 반도체 및 투명 전극 개발 가능성을 열었다.

한국연구재단은 아주대 서형탁·한양대 최덕균 교수 공동 연구팀이 금속산화물반도체 표면에 흡착된 수분을 자외선으로 광분해해 발생시킨 수소를 이용, 전기전도도를 획기적으로 향상시키는 기술을 개발했다고 1일 밝혔다.

미래창조과학부와 한국연구재단 나노소재기술개발사업과 일반연구자지원사업으로 수행된 이 연구결과는 나노과학분야의 권위 있는 학술지인 '에이시에스나노'(ACSNano) 10월 27일자 온라인판에 실렸다.

금속 원자에 산소가 결합한 금속산화물 박막은 투명하면서 전기전도도 조절이쉬워 디스플레이, 박막 태양전지의 투명전극 및 박막 트랜지스터의 핵심 소재로 사용되고 있다.

그러나 금속산화물을 크게 만들려면 열처리가 필요해 상온 공정이 필수인 유연(flexible) 소자에 적용하기가 어렵다. 또 공기 중 수분이 금속산화물의 표면에 닿으면 수소 원자로 분해되면서 전기적 특성을 변화시키는 문제점이 있다.

이러한 특징을 역으로 이용, 수소 도핑(반도체 불순물을 임의로 주입해 반도체의 전기 전도도를 향상시키는 기술)으로 반도체 특성을 제어하거나 투명전극에 활용하려는 많은 시도가 있었지만, 가볍고 확산이 잘되는 수소의 성질 때문에 실패해 그가능성은 이론적으로만 남아 있었다.

서형탁 교수 공동 연구팀은 금속산화물(인듐 갈륨 아연 산화물)의 표면에 붙은수분을 수소로 분해하기 위해 높은 에너지의 자외선을 쪼였다. 이 과정에서 자외선을 쬔 시간의 길이에 비례해 전기전도도가 높아지는 것을 확인했다.

이를 고성능 전자현미경과 연동된 전자에너지 손실 분광기로 확인한 결과, 산화물 표면에 붙은 물 분자가 자외선에 의해 수소 라디컬(수소 분자·원자가 높은 에너지로 들뜬 상태)이 되면서 퍼져 나가 박막 내 원자들 사이의 틈, 혹은 산소 원자가빠져나간 자리에서 기존 원소들과 결합해 전자의 농도를 증가시키기 때문인 것을 밝혔다.

특히 알칼리 금속 불순물을 이용해 상온에서 금속산화물과 기판의 계면에 나노결정을 형성시킨 후 수소 도핑을 할 경우 전기전도도는 나노결정이 없을 때보다 무려 10의 11승 배 증가했다.

이 연구 결과는 이론적으로만 예견됐던 수소 도핑에 의한 산화물 반도체의 전기전도도 조절에 대한 세계 최초의 신뢰성 있는 실험적 증명이라고 할 수 있다.

연구팀은 간단한 공정으로 디스플레이 산업 등에 필요한 대면적의 고신뢰성 산화물 반도체 및 투명 전극을 제작할 수 있을 수 있을 뿐 아니라, 최신 분석 기법으로 정확한 수소 도핑 메커니즘을 최초로 규명, 투명전극기술에 적용 가능한 광화학적 도핑 장비 개발에 기여할 것으로 기대된다고 설명했다.

서형탁 교수는 "이번 연구에서 제안된 광화학적 도핑 기술은 공정의 용이성에비해 전도도 조절 효과가 매우 크며 산화물의 신뢰성도 크게 향상시킴으로써 차세대투명 소재 개발에 널리 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.

jchu2000@yna.co.kr(끝)<저 작 권 자(c)연 합 뉴 스. 무 단 전 재-재 배 포 금 지.>