[더팩트ㅣ전주=김수홍 기자] 전북대학교 연구진이 전자빔을 이용해 차세대 반도체 소재인 페로브스카이트 박막의 전기적 특성을 미세 영역에서 정밀하게 조절하는 기술을 개발했다.

전북대는 물리학과 김성헌·진경환 교수 연구팀이 서울대 이진욱 교수 연구팀과 공동연구를 통해 전자빔 조사만으로 페로브스카이트 박막의 일함수를 마이크로미터 수준에서 제어하는 기술을 개발했다고 12일 밝혔다.

이번 연구 성과는 '전자빔을 이용한 FAPbI3 페로브스카이트 박막의 결함 매개 일함수 국소 제어'(Electron-Beam Enables Spatially Resolved Defect-Mediated Work Function Modulation in FAPbI3 Perovskite Thin Films)라는 제목으로 국제학술지 'Advanced Science' 최신호에 게재됐다. 해당 학술지는 논문에 제시된 자료 기준으로 JCR 상위 9.4%, 영향력지수(IF) 14.1을 기록하고 있다.

FAPbI3 페로브스카이트는 우수한 광학적·전기적 특성을 바탕으로 차세대 태양전지와 광검출기, 발광다이오드(LED) 등 다양한 광전소자 분야에서 주목받는 소재다. 고집적·고정밀 소자를 구현하려면 박막 내부의 에너지 준위와 전자 상태를 원하는 위치에서 세밀하게 조절하는 기술이 필요하다.

기존에는 화학적 도핑이나 열처리 등을 통해 소재의 전기적 특성을 조절했지만, 이러한 방식은 박막 전체의 특성을 변화시키는 경우가 많아 특정 영역만 선택적으로 제어하는 데 한계가 있었다.

공동연구팀은 이를 해결하기 위해 페로브스카이트 박막의 특정 영역에 전자빔을 조사하는 방식을 적용했다. 전자빔의 가속 전압과 조사 시간을 조절한 결과, 박막 표면에 요오드 관련 결함이 형성되면서 일함수가 연속적이고 정밀하게 변화하는 현상을 확인했다.

일함수는 고체 표면에서 전자를 외부로 꺼내는 데 필요한 최소 에너지를 뜻한다. 소재의 일함수를 정밀하게 조절하면 전하의 이동과 분리 특성을 제어할 수 있어 광전소자의 성능을 개선하는 데 활용할 수 있다.

연구팀은 특히 전자빔 조사로 형성된 요오드 간극 결함이 전자를 받아들이는 수용체(acceptor) 역할을 하면서 일함수를 증가시키는 작동 원리를 규명했다. 또 박막의 일부 영역에만 전자빔을 선택적으로 조사해 별도의 마스크 공정 없이 약 0.62V의 수평형 확산 전위를 형성하는 데 성공했다.

이를 바탕으로 제작한 광검출기 소자는 뚜렷한 정류 특성과 효과적인 광전하 분리 성능을 보였다. 정류 특성은 전류가 특정 방향으로 상대적으로 잘 흐르는 성질로, 광전소자의 전하 이동과 관련된 중요한 특성이다.

이번 연구는 복잡한 추가 공정이나 화학적 처리 없이 전자빔 조사만으로 페로브스카이트 표면의 에너지 준위를 원하는 위치에 선택적으로 조절할 수 있음을 보여줬다는 점에서 의미가 있다.

연구팀은 해당 기술이 향후 평면형 광전소자와 고성능 센서, 집적형 회로 등 차세대 전자·광전자 소자 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 교육부, 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.

ssww9933@tf.co.kr

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