충남대 박인혁 교수팀, 차세대 반도체용 2차원 유기 페로브스카이트 신규 물질 개발

공동연구 논문 ‘Science’ 게재

왼쪽부터 최화섭 박사, 박인혁 교수, Kian Ping Loh 교수. /충남대

[더팩트ㅣ대전=이영호 기자] 충남대학교는 분석과학기술대학원 박인혁 교수 연구팀과 홍콩 이공대학 Kian Ping Loh 교수 연구팀이 한국인의 이름을 딴 차세대 반도체용 2차원 유기 페로브스카이트 신규 물질 개발했다고 12일 밝혔다.

이번 연구는 국제학술지 ‘Science’에 지난 4일자로 게재됐으며 충남대 박인혁 교수가 공저자로, 홍콩 이공대학 Kian Ping Loh 교수가 교신저자로, 최화섭 박사후연구원이 제1저자로 참여했다.

페로브스카이트는 화학 구조식 ABX3를 가지는 물질로 A는 큰 양이온, B는 작은 양이온, X는 음이온을 나타낸다.

페로브스카이트는 전통적으로는 강유전성 촉매부터 최근에는 태양전지, LED로 뛰어난 성능을 보여줘 다양한 응용이 가능한 물질로 많은 주목을 받고 있다.

페로브스카이트는 3차원 구조를 갖지만 2차원 구조를 갖는 Ruddlesden-Popper phase(RP 상), Dion-Jacobson Phase(DJ 상)이 존재한다.

그러나 2018년 발견된 A, B, X가 모두 유기물인 ‘유기 페로브스카이트’는 기존 무기, 유무기 페로브스카이트와 달리 전하 균형이 맞지 않아 이런 2차원 상이 존재할 수 없다고 알려져 왔다.

공동 연구팀은 격자의 edge 자리에 추가적 B 양이온을 넣고 새로 개발한 CMD 분자를 A 양이온으로 사용하면 수소결합을 통해 추가적 B 양이온이 안정화됨으로써 2차원 구조를 가지는 유기 페로브스카이트가 존재할 수 있음을 세계 최초로 공개했다.

공동 연구팀은 새로운 고체 물질 구조의 이름을 처음 발견한 사람의 이름으로 명명하는 과학계에 관례에 따라 이번에 새롭게 개발한 2차원 유기 페로브스카이트의 이름은 ‘Choi-Loh-van der Waals phase’(CL-v 상 / 최화섭, Kian Ping Loh)으로 명명했다.

연구팀이 개발한 ‘CL-v 상’은 2차원 구조로 되어 있어 4.2 nm 두께의 매우 얇은 초박막으로 성장할 수 있으며 높은 밴드갭과 실리콘 산화물보다 높은 유전율(4.8~5.5)을 가지고 있어 차세대 2차원 전자 소자(FET)의 절연체로 활용할 수 있음을 보여줬다.

박인혁 교수는 "이번 연구는 기존 실리콘 반도체 소자의 한계를 뛰어넘는 차세대 2차원 반도체 소자의 마지막 핵심 물질인 고유전율 2차원 절연물질을 개발함으로써 반도체 소자의 소형화, 고성능화를 이룰 수 있을 것"이라며 "꽤 오랫동안 국제협력한 연구 성과가 Science지에 게재돼 감회가 새로운 만큼 현재 수행 중인 2차원 유기 페로브스카이트 관련 후속 연구에도 박차를 가하겠다"고 말했다.

tfcc2024@tf.co.kr

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