- 화염 화학 기상 증착법(FCVD) 이용… 재료공학 최상위 학술지 ‘Microsystems & Nanoengineering’ 게재 |
[사진. (왼쪽부터) 이규형 교수, 진창현 연구교수, 최명식 경북대학교 교수]
신소재공학과 이규형 교수팀이 전자 및 홀 전도 채널이 자동으로 선택되는 N형 및 P형 반도체 복합구조 소재 합성 기술을 개발했다. 화염 화학 기상 증착법(Flame Chemical Vapour Deposition, 이하 FCVD)을 이용해 평형상인 N형 SnO2와 P형 CuO를 비평형 금속산화물인 SnOx와 CuOx의 균일 복합구조로 채널화하는 기술이다.
이번 연구는 신소재공학과 이규형 교수와 진창현 연구교수가 공동으로 이끌었으며, 경북대학교 최명식 교수팀이 참여했다. 최명식 교수는 연세대학교 KIURI 연구단(단장: 신소재공학과 이우영 교수) 재직 중 이규형 교수팀과 본 연구에 대한 전략을 수립하였고, 경북대학교 부임 후 공동연구를 이어가며 이번 성과를 완성했다.
기존의 가스 센서는 N형 반도체와 P형 반도체가 검출할 수 있는 가스가 서로 달라, 최적의 감지 효율을 얻기 위해서는 여러 종류의 소재를 복합적으로 사용해야 하는 한계가 있었다.
이에 연구팀은 산화성 가스(NO2)와 환원성 가스(H2S)를 동시에 감지할 수 있는 복합 구조-채널 소재를 개발하고자 하였다. 구체적으로 FCVD법을 이용해 Cu와 SnO2 이중층 나노복합체를 동시에 산화(Cu) 및 환원(SnO2)시켜, SnOx와 CuOx가 공존하는 비평형 산화물 반도체를 합성해 냈다.
[그림] SnOx-CuOx 복합구조 소재에서 N-N, P-P, P-N 접합의 형성과 전하 운반체 작동 메커니즘 모식도
연구팀은 SnO2, SnOx, SnO, CuO, Cu2O, CuOx에 이르는 다양한 N형 및 P형 반도체를 시료 전체에 분포시키고, 3차원 2채널 구조를 형성하기 위해 FCVD 공정을 적용했다.
그 결과, 기존 반도체 접합에서 일반적으로 P-N 접합에 공핍층이 형성되는 것과 달리, 이번에 개발된 이중 채널 구조에서는 가스의 종류에 따라 전하 운반체의 이동 경로가 달라진다는 원리를 규명했다. 산화성 가스인 NO2의 경우 'N-N 및 P-N 접합'을 통해, 환원성 가스인 H2S의 경우 'P-P 접합'을 통해 전하 운반체가 이동하게 된다.
연구팀은 "본 연구에서 제시된 핵심 개념은 다목적 가스 감지 장치 제작을 위한 것으로, 향후 다양한 센싱 관련 응용 분야로의 활용이 기대된다"고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단의 지역혁신선도연구센터 사업, Post-Doc. 성장형 공동연구사업 등의 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료공학 분야 전문학술지인 ‘마이크로시스템즈 앤 나노엔지니어링(Microsystems & Nanoengineering, JCR 상위 0.6%)’에 지난 5월 6일 게재되었다.
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