아주대 서형탁 교수 연구팀
아주대학교 서형탁 교수(신소재공학과·사진) 연구팀이 절연체인 두 나노 결정 산화물을 접합해 전도도 조절이 가능한 투명 전자 신소재를 개발하는 데 성공했다. 두 소재가 맞닿은 서로 다른 두 가지 물질이 맞닿은 사이의 경계 즉 계면에서 2차원 전자구름이 형성돼 전도도가 최대 10의 13제곱 배까지 발생하는 특이 현상을 이용한 것이다.
현재 널리 활용되고 있는 투명 전자 소재는 인듐주석산화물처럼 여러 성분을 혼합한 복합 산화물이다. 하지만 복합 산화물 소재는 △투명도의 한계 △유연 기판 적용에 적합지 않은 고온 공정 수반 △자유로운 전도도 조절 등의 어려움이 있어 미래형 디스플레이와 IoT 센서에 적용이 쉽지 않다.서 교수팀이 개발한 신소재는 상온에서 형성한 나노결정의 인듐산화물(In2O3) 박막 위에 금속-유기 기체 원료를 이용해 원자를 한 층씩 쌓아 박막을 증착하는 '원자층 증착방식'(atomic layer growth, ALD)으로 알루미늄산화물(Al2O3)을 쌓아올린 적층구조로 돼있다. 이 적층구조에서 절연체인 두 소재가 맞닿은 두께 5nm 이하의 계면 부분에서 전도도가 비약적으로 증가해 전도체가 되는 비전형적인 현상이 일어난다. 계면에서의 전도도는 증착 전의 상태보다 최대 10의 13제곱 배까지 증가하는 것으로 측정됐다.
서 교수팀은 이 현상을 '주사투과전자현미경'으로 '원자단위 전자구조'를 분석해 두 박막의 좁은 계면에 인듐산화물과 알루미늄산화물이 뒤섞여 원자를 이루는 전자가 구름처럼 분명하지 않지만 일정한 모양으로 분포하는 것을 발견했다. 서 교수팀은 이를 '전자구름 현상'으로 보고 이 곳에서 '국부적 2차원 전자 전도현상'이 발생한 것을 밝혀냈다. 국부적 2차원 전자 전도현상이란 아주 좁은 영역에 전자가 갇히면 전자 산란이 없어져 전류가 흐르게 되는 현상을 말한다.
이밖에도 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 공정 과정에서 필요한 단결정의 기판 생성의 어려움, 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 받고 있다. 서 교수팀 논문은 화학과 물리 분야에서 최고수준의 저널인 'ACS Nano'(인용지수=13.334) 최신호에 소개됐다.
서 교수는 이번 신소재를 "전도도의 조절이 자유롭고, 투명하고 유연해 전자소자의 핵심 소재로 적용할 수 있다"며, "무엇보다 기존의 반도체와 디스플레이 공정과 호환되는 방식이어서 즉시 상용화가 가능하다"고 강조했다. 한편 이 기술은 박사과정의 이상연 학생이 제 1 저자로 참여했고 한국연구재단의 나노소재원천기술사업의 지원을 받아 이뤄졌다. 국내외 특허 출원 중이다.
이규화 선임기자 david@dt.co.kr
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