XR, LiDAR 등 적외선 TOF 센서 기기 적용 기대

차세대 전자소자의 핵심 소재인 신규 p형 양자점 합성 원천기술을 국내 연구진이 개발해 관심이 집중된다.

한국연구재단(이사장 이광복)은 오누리 교수와 이승용 교수(한양대학교 신소재공학부), 장재영 교수(한양대학교 에너지공학과) 공동 연구팀이 기존 p형 반도체* 소재의 한계를 극복하는 높은 정공이동도의 신규 p형 콜로이드** 양자점을 개발했다고 밝혔다.

*P형 반도체: P형 반도체는 주요 전하 운반자로 정공(hole)이 사용되는 반도체로, 양의 전하를 가지는 정공이 이동함으로써 전류가 발생한다.

**콜로이드: 1 나노미터에서 1 마이크로미터 사이의 크기를 갖는 입자들이 용매에 분산된 것을 말한다.

나노소재로부터 빛이나 열 에너지를 전기로 바꾸는 광전자소자, 광센서, 열전소자 등 미래 나노전자소자의 상용화를 위해서는 n형 뿐 아니라 p형 반도체 나노소재의 개발이 필수적이다.

기존 p형 유·무기물 반도체 나노소재는 낮은 전기적 특성(정공 이동도), 소재 안정성 저하, 공정 적용의 어려움 등으로 내재적 한계를 지니고 있기 때문에 새로운 p형 소재 개발의 필요성은 오랫동안 중요하게 여겨지고 있다.

그중 지구상 풍부하게 존재하는 원소로 이루어져 친환경적 소재인 인화아연(Zn3P2)나 비소화아연(Zn3As2) 등의 아연계 닉타이드 화합물 반도체는 본질적으로 p형 특성을 나타내기 때문에 오래전부터 높은 관심을 받았다. 하지만 복잡한 결정구조, 화학량론적 조성제어의 어려움, 합성 전구체 부재 등의 문제로 나노구조체로 제조된 사례가 극히 드물고, 특히 용액합성법을 이용하여 고결정성 콜로이드 나노입자의 형태를 제조한 연구는 아직까지 보고된 적이 없다.

한양대학교 연구팀은 이러한 문제를 해결하고 신규 p형 양자점 소재를 개발하고자 인(P) 비소(As) 기반 신규 합성전구체 제안하였고 아연 전구체와 반응을 통하여 균일한 크기의 고결정 비소화아연 양자점으로 만들어내는 합성법을 보고하였다.

연구팀은 비소의 다중음이온과 올레핀계*** 유기물과 중합되어 공중합체를 형성하는 독특한 화학적 반응 과정을 최초로 규명하였고, 이 전구체를 기반으로 아연 전구체와 반응시켜 기존 보고된 적 없는 특별한 결정구조(공간군: P42/nmc)를 지닌 비소화아연 나노결정체를 합성하는데 성공하였다.

***올레핀계: 분자 내에 탄소-탄소 2중 결합 C=C를 1개 가진 지방족불포화화합물

제조된 비소화아연 양자점은 소재 본질적으로 p형 반도체 특성을 나타냈으며 용액 상 리간드 치환공정을 통하여 정공 이동도가 비약적으로 향상되어 기존 양자점 기반 전계효과트랜지스터 소자의 한계를 넘는 0.089 cm2/V·s의 높은 정공 이동도를 확보하였다.

오누리 교수는 “이번 연구를 통하여 그동안 보고되지 않았던 15족 원소 전구체 반응을 더 이해할 수 있었고 이를 통하여 친환경 조성의 새로운 p형 양자점을 개발할 수 있었다.”라며, “향후 대면적 용액 공정을 활용하여 이들 양자점이 적용된 PIN 구조의 고성능 포토다이오드를 개발한다면 적외선 ToF 센서, LiDAR 등으로 활용을 기대해 볼 수 있을 것 같다.”라고 설명했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노소재기술개발사업, 원천기술개발사업, 개인기초연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료분야 세계적 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스 (Advanced Materials)’에 게재될 예정이다.

오누리 교수