▲ 배명호 한국표준과학연구원 미래융합기술본주 양자측정센터 박사.

국내 연구진이 그래핀의 한계를 뛰어넘을 차세대 반도체 물질로 주목받고 있는 ‘흑린’의 독특한 물리적 특성을 세계 최초로 규명하였다.

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 직무대행 박현민) 양자측정센터 배명호 박사팀은 흑린 속 전하들이 열전현상에 있어 평면방향(2차원)으로 움직인다는 것을 입증하고 이를 통해 반도체 흑린 소재의 열전 현상을 기판과의 상호 작용을 통해 제어할 수 있음을 규명하였다.

열전현상이란 온도가 다른 두 급속이 접촉할 때 전기가 흐르는 현상을 말하는데 전류의 흐름만으로 냉장고, 냉온수기를 만드는 등 친환경적인 대체 에너지 기술로 주목받고 있으며 특히 열전소재로 사용할 수 있는 ‘흑린’이 많은 주목을 받고 있다.

흑린은 상온에서 다른 2차원 소재보다 10배 이상 빠른 전하 이동도를 가질뿐만 아니라 특정방향에선 높은 전기전도도와 낮은 열전도도를 동시에 가져 효율이 높은 열전 소재로 연구되고 있다.

흑린의 내부 전하들은 기판과 가장 가까운 원자 층에 가두면 위아래로 자유롭게 움직이지 못하고 평면 방향(2차원)으로만 이동하게 된다. 이 과정에서 기판으로 쓰이는 산화실리콘 표면에 존재하는 불순물에 의해 생긴 불규칙적인 전기장이 흑린의 전하 흐름에 방해를 줘 열전현상에도 영향을 미친다.

KRISS 배명호 박사팀은 기판 속 불순물이 흑린 전하의 흐름에 방해를 줄 때 흑린 전하가 평면 방향(2차원)으로 이동함을 규명하였다. 이는 기판 속 불순물을 조절한다면 흑린의 열전현상도 같이 제어할 수 있음을 나타낸다.

배명호 박사는 “향후 열전 반도체 소자로 흑린을 효과적으로 사용하기 위해서는 흑린과 기판의 상호작용을 정확히 이해해야 한다. 이번에 밝혀낸 흑린의 특성을 통해 산화실리콘 기판의 불순물을 조절하거나 불순물이 거의 없는 질화붕소 등 다른 종류의 절연체를 활용해 열전 현상을 제어하는 방법을 제안”한 것에 의의가 있다고 말했다.

한편, 교신저자는 배명호 박사이며 공동 제1저자로 충남대학교 최선재 석사와 한국표준과학연구원 김범규 박사가 연구에 참여했다. 연구결과는 나노 레터스(Nano Letters-IF:13.592) 온라인 판에 5월25일 게재되었다.