‘흑린’ 물리적 특성 세계 최초 규명

▲ KRISS 양자측정센터 김범규 박사, 배명호 박사, 이태호 연구원(박사과정)(오른쪽부터)이 저온측정 장비로 흑린 소자의 열전 특성을 측정하고 있다.

표준연, 흑린의 열전현상 흑린-기판 상호작용으로 제어 가능

국내 연구진이 차세대 반도체 물질로 주목받는 ‘흑린’의 독특한 물리적 특성을 세계 최초로 규명했다.

한국표준과학연구원(KRISS)은 배명호 양자측정센터 박사 연구팀이 3차원 구조의 흑린 속 전하가 열전현상에서 평면방향(2차원)으로 움직인다는 것을 입증하고, 이를 통해 반도체 흑린 소재의 열전현상을 흑린과 기판 간 상호작용을 통해 제어할 수 있음을 확인했다고 14일 밝혔다.

열전현상은 온도가 다른 두 금속을 접촉했을 때 전기가 흐르는 현상이다.

연구팀은 최근 발표된 전하가 2차원 전자계 형태로 흐른다는 연구 결과에 주목해 열전현상에서도 동일한 움직임을 보일 것이란 가설을 세우고 흑린 전하 움직임에 대한 연구를 시작했다.

검은 인이라 불리는 흑린은 상온에서 다른 2차원 소재보다 10배 이상 빠른 전하 이동도를 보인다.

또 특정 방향으로 전기 전도도는 높지만 열전도도가 낮아 효율이 높은 열전 소재 후보로 꼽힌다.

이런 흑린 속 내부전하들은 전계 효과(field effec)가 발생할 때, 기판과 가장 가까운 원자 층에 가둬진다.

이때 내부전하들은 위 아래로는 움직일 수 없고 다만 평면 방향(2차원)으로만 이동할 수 있다.

이 과정에서 기판으로 사용되는 산화실리콘 표면에 존재하는 불순물은 불규칙한 전기장을 만든다.

이 불순물은 흑린의 전하 흐름을 방해해 열전현상에 영향을 미칠 수 있다.

연구팀은 흑린 제벡계수(온도차로 발생하는 재료 간 기전력과 온도차의 비)의 온도 의존성을 관측해 열전현상에서 흑린 전하가 평면 방향(2차원)으로 이동함을 규명했다.

또 기판 속 불순물을 조절하면 흑린의 열전현상도 함께 제어할 수 있는 것도 확인했다.

배 박사는 “앞으로 열전 반도체 소자로 흑린을 효과적으로 사용하기 위해서는 흑린과 기판의 상호작용을 정확히 이해해야 한다”며 “이번 연구는 산화실리콘 기판의 불순물을 조절하고 불순물이 거의 없는 질화붕소 등 다른 종류의 절연체를 활용해 열전 현상을 제어하는 방법을 개발한 것”이라고 설명했다.

이번 연구결과는 지난 달 25일 나노 레터스(Nano Letters) 온라인 판에 게재됐다. 최소망 기자 somangchoi@

▲ KRISS 양자측정센터 배명호 박사.