▲ KRISS 공동연구팀이 식각이 완료된 흑린 박막을 표면분석장비를 사용하여 측정하고 있다.

그래핀을 대체 할 소재로 주목 받았지만 산화반응 때문에 사용이 어려웠던 흑린의 성질을 역이용해 박막 두께를 자유자재로 조절할 수 있는 기술을 국내 연구진이 세계 최초로 개발했다.

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 직무대행 박상열) 권혁상, 김정원 박사와 포항공대(POSTECH, 총장 김도연) 류순민 교수 공동 연구팀은 27일 산소와 빛의 조절을 통한 식각법으로 흑린 박막을 원하는 두께로 제조하는 기술을 개발했다. 또한 제조된 흑린 박막을 정확한 측정 기술을 통해 평가하는 품질관리 프로세스를 확립하였다.

흑린은 밴드갭이 없어 전류 통제가 힘든 그래핀을 대체할 차세대 전자 소자로 주목 받고 있다. 주변에서 흔히 볼 수 있는 인(P)의 동소체로 경제성이 뛰어나기 때문이다.

하지만 흑린은 공기 중 빛과 반응하여 매우 빠르게 자연산화 한다는 치명적인 단점이 있었다.

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

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

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

흑린의 산화를 지연하는 것은 공정을 진행하거나 특성을 평가할 때 매우 유용하며 기존에는 강유전성 고분자물질을 보호층으로 사용하는 등의 방법을 활용하였지만 그 과정이 매우 복잡하였다.

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

한편, 이번 연구 결과는 '미국화학회'(American Chemical Society, ACS)가 발행하는 나노분야 학술지 '에이씨에스 나노'(ACS Nano - IF: 13.334) 9월 1일자 온라인판에 실렸다.