아주대, 웨어러블 기기·신개념 디스플레이 선도할 방안 제시

전도성 전자를 전기장이 아닌 빛을 이용해 제어
'나노 레터스(Nano Letters)' 7월호 온라인 게재

아주대 이형우 교수. ⓒ아주대학교 제공

아주대학교 연구팀이 차세대 소재 중 하나로 주목받아온 페로브스카이트 산화물 이종구조에서 전도성을 제어할 수 있는 새로운 방안을 발견했다. 향후 웨어러블 기기나 신개념 디스플레이 등에 쓰이는 차세대 반도체로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

아주대학교는 1일 이형우 교수(물리학과·대학원 에너지시스템학과)팀이 페로브스카이트 산화물 이종구조에서 빛과 물을 활용해 전도성을 가역적으로 제어할 수 있는 새로운 방안을 제시했다고 밝혔다.

이 내용은 ‘LaAlO3/SrTiO3 이종구조 내 2차원 전자가스의 가역적 광 변환(Reversible Photo-modulation of Two-dimensional Electron gas in LaAlO3/SrTiO3 Heterostructures)’이라는 논문으로 국제 학술지 <나노 레터스(Nano Letters)> 7월호에 온라인 게재됐다. 아주대 이형우 교수가 교신저자로 연구를 주도했고, 성균관대 엄기태 연구교수와 세종대 김성규 교수가 연구에 함께 참여했다.

그동안 차세대 소재로 주목받아 온 페로브스카이트 산화물 이종구조(LaAlO3/SrTiO3(LAO/STO))는 여러 흥미로운 물리적 특성을 가지고 있어, 이를 응용소자로 활용하기 위한 연구가 활발히 수행돼 왔다. 그러나 안정적인 전도성 제어가 어렵다는 점이 한계로 여겨져 왔다.

그런데 최근 페로브스카이트 이종구조의 경계면에 형성되는 2차원의 전자가스(2DEG : 극성·무극성 물질의 계면에 2차원 형태로 유도되는 전도성 전자)를 일반적인 전기장이 아닌 빛을 이용해 제어할 수 있음이 밝혀졌다.

특히 빛에 의해 증가된 전도도가 빛이 꺼진 후에도 오랜 시간 유지된다는 점에서, 지속적 광전도성(persistent photoconductivity, PPC) 의 특성이 매우 강하다는 사실도 보고됐다. 이러한 특성은 빛으로 프로그래밍이 가능한 광반응성 메모리(일반적인 전기 신호가 아닌 빛을 이용해 정보의 저장을 실행할 수 있는 메모리 소자)

에 활용이 가능하나, 한번 증가된 전도성을 빠르게 되돌릴 수 있는 방법이 없어 실제 응용소자 개발의 난관으로 여겨져 왔다.

아주대 연구팀은 단결정 페로브스카이트 산화물 이종구조 내 전자가스의 전도도를 UV 빛(자외선)을 이용해 점진적으로 증가시키고, 더 나아가 표면처리를 통해 변화된 전도도를 원상복귀 시킬 수 있음을 입증해 내는 데 성공했다.

UV 노출 시간에 따라 전자가스의 지속적 광전도성 레벨이 단계적으로 증가하고, 이종구조 중 란타늄 알루미네이트(LaAlO3) 표면이 물에 노출될 경우 전도도는 처음의 값으로 복원됐다. 페로브스카이트 산화물 이종구조의 전도성을 가역적으로 제어할 수 있는 방안을 찾은 것이라고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 실험을 통해 란타늄 알루미네이트(LaAlO3) 표면이 물에 노출될 경우, 표면에 붙어있던 수소 이온이 제거되고, 이는 경계면의 산소 공공(Oxygen vacancy) 결함의 이온상태에 변화를 유도한다는 점을 확인했다. 이러한 과정을 통해 지속적 광전도성 현상이 제거됨을 이론적·실험적으로 입증해 낸 것이다.

이형우 아주대 교수는 “이번 연구에서 제안한 페로브스카이트 산화물 이종구조의 가역적 제어 기술은 완전히 새로운 패러다임을 요구하는 차세대 반도체의 개발에 활용될 수 있을 것”이라며 “해당 물질이 투명하고 얇다는 특성을 가지고 있어, 이러한 특성을 기반으로 한 웨어러블 기기나 스마트 윈도우 등 차세대 디스플레이에의 적용이 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단의 우수신진연구와 기초연구실지원사업(BRL)의 지원을 받아 수행됐다.