아주대학교 광전자재료 연구실

국내 연구진이 첨단 전자제품을 만드는데 쓰이는 산화물 반도체의 전기 전도도를 손쉽게 바꿀 수 있는 방법을 처음으로 발견했다. 전기효율을 크게 높일 수 있어 그간 개발이 어려웠던 고효율 대면적 반도체 및 투명 전극 개발이 가능해질 전망이다.

서형탁 아주대 신소재공학과 교수팀은 최덕균 한양대 신소재공학부 교수팀과 공동으로 금속 산화물 반도체 표면에 흡착된 수분을 자외선으로 광분해 해 수소를 만들고, 이 수소의 반응을 이용해 전기 전도도를 획기적으로 향상시키는 기술을 새롭게 개발했다고 1일 밝혔다.

산화물 반도체는 금속 산화물을 얇게 펴 만든다. 투명하면서 전기 전도도 조절이 쉬워 디스플레이나 태양전지용 투명전극 등을 만드는 핵심 소재로 쓰인다. 그러나 금속 산화물을 넓고 크게 만들 때는 전기 전도도가 떨어져 제 성능을 얻기 어려웠다. 또 공기 중 수분이 금속 산화물의 표면에 닿으면서 수소 원자로 분해돼 전기적 특성이 변하는 문제가 있었다.

연구진은 이 수소 원자에 주목하고 이런 특징을 역으로 이용하는 방법을 고안했다. 연구진은 인듐과 갈륨, 아연 산화물 등을 섞어 만든 금속 산화물 표면에 붙은 수분을 수소로 분해하기 위해 높은 에너지의 자외선을 쪼였다. 이 과정에서 자외선을 쪼인 시간의 길이에 비례해 전기 전도도가 높아지는 현상을 확인했다.

반도체 불순물을 임의로 주입해 반도체의 전기 전도도를 향상시키는 ‘도핑’ 기법은 과거에도 있었지만 가볍고 확산이 잘 되는 수소를 이용하는 경우는 없었다.

연구진은 고성능 전자현미경과 분광기를 이용해 살펴본 결과 산화물 표면에 붙은 물 분자가 수소 분자로 바뀌면서 박막 내 원자들 사이의 틈이나 산소 원자가 빠져나간 자리에서 기존 원소들과 결합해 전자의 농도를 증가시킨다는 사실을 밝혀냈다. 경우에 따라 다르지만 최대 1조 배 이상 전기전도도가 높았다. 이론 적으로만 가능하다던 ‘수소 도핑’을 세계에서 처음 확인한 것이다.

연구팀은 이번 연구성과를 응용하면 간단한 공정으로 넓은 면적의 산화물 반도체 및 투명 전극을 제작할 수 있을 수 있을 것으로 보고 있다. 또 수소 도핑 방법을 처음으로 찾아낸 만큼 다양한 광화학적 산업에 응용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

서 교수는 “공정의 용이성에 비해 전기 전도도 조절 효과가 매우 크며 산화물의 신뢰성도 크게 향상시킬 수 있다는 점에서 연구 가치가 크다”며 “차세대 전자 소재 개발에 널리 활용될 것으로 보인다”고 밝혔다.

연구결과는 나노과학분야의 권위 있는 학술지인 ‘ACS 나노’ 10월 27일 자 온라인판에 게재됐다.