단점 역이용한 흑린 박막제조기술 개발돼

[산업일보]
국내 연구진이 흑린의 치명적인 단점을 역이용해 흑린 박막 두께를 자유자재로 조절할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했다.

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 직무대행 박상열) 권혁상, 김정원 박사와 포항공대(POSTECH, 총장 김도연) 류순민 교수 공동 연구팀은 산소와 빛의 조절을 통한 식각법으로 흑린 박막을 원하는 두께로 제조하는 기술을 개발했다. 또한 제조된 흑린 박막을 정확한 측정 기술을 통해 평가하는 품질관리 프로세스를 확립했다.

흑린은 주변에서 흔히 볼 수 있는 인(P)의 동소체기 때문에 경제성이 뛰어날 뿐만 아니라 밴드갭이 존재해 전기 신호로 쉽게 전류를 통제할 수 있다는 점 때문에 그래핀을 대체할 차세대 전자소자로 주목 받고 있다.

하지만 흑린은 공기 중 빛과 반응해 매우 빠르게 자연산화 한다는 치명적인 단점 때문에 그래핀의 자리를 완전히 차지하지 못하고 있다.

이에 연구팀은 흑린이 산화 되도록 만드는 원인이 되는 산소와 빛을 오히려 정확하게 조절한다면 원하는 박막 두께로 식각이 가능할 것이라는 가설을 세우고 연구를 진행했다.

연구팀은 밀폐된 공간에 흑린을 넣고 1 기압의 산소 환경을 유지함으로써 상대습도를 낮춰 산화반응을 억제했다. 이후 자외선 조사로 생성된 활성산소를 사용해 자연산화에 비해 100배 이상 빠른 반응 속도로 흑린 표면 식각을 유도해 짧은 시간에 원하는 두께로 박막제조를 가능하게 했다. 이 과정에서 연구팀은 산소 라디컬(O·)보다 오존(O3)에 의해 주로 흑린의 식각 반응이 발생한다는 것도 입증했다.

또한 연구팀은 오존 식각 반응 중에 부산물로 생성되는 흑린 산화물은 간단한 물 세척으로 완전히 제거가 가능함을 확인했고, 오히려 물 세척 후 형성된 표면 산화층으로 인해 일정 시간동안 흑린의 자연 산화가 더 지연된다는 것을 밝혀냈다.

권혁상 박사는 “흑린이 대면적 성장 기반 차세대 반도체 물질로 활용하는 과정에서 생기는 결함 등을 오존 반응 및 물 세척과 같은 간단한 공정 작업으로 완벽히 제거해 고품질의 흑린 소자 생성이 가능할 것으로 기대된다” 고 말했다.