경북대학교는 최명식 나노신소재공학과 교수팀이 이규형 연세대 교수·진창현 연세대 연구교수와 함께 산화성 가스와 환원성 가스에 따라 전자 및 홀 전도 채널이 자동으로 선택되는 N형·P형 반도체 복합구조 소재를 개발했다고 29일 밝혔다.
기존 가스센서는 N형 반도체와 P형 반도체가 각각 선택적으로 반응하는 가스 종류가 달라, 최적의 감지 효율을 위해서는 가스별로 서로 다른 소재를 사용해야 하는 한계가 있었다. 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 산화성 가스(이산화질소·NO2)와 환원성 가스(황화수소·H2S)를 하나의 소재에서 선택적으로 감지할 수 있는 복합 구조-채널 소재 개발에 주목했다.
연구팀은 '화염 화학 기상 증착법(FCVD)'을 도입해 이 문제를 해결했다. N형 반도체 특성을 가진 주석산화물(SnO2)과 P형 특성 형성에 활용되는 구리(Cu)로 구성된 이중층 나노복합체에 FCVD 공정을 적용해 구리는 산소를 얻는 산화 반응이, 주석산화물은 산소를 잃는 환원 반응이 동시에 일어나면서, 주석산화물(SnOx)과 구리산화물(CuOx)이 공존하는 비평형 금속산화물인 '주석산화물·구리산화물(SnOx·CuOx) 복합구조'를 구현했다. 또 다양한 주석산화물(SnO2, SnOx, SnO)과 다양한 구리산화물(CuO, Cu2O, CuOx)로 구성된 N형·P형 반도체 채널이 시료 전체에 균일하게 분포하도록 설계해 3차원 이중 채널 구조를 형성했다.
그 결과 연구팀은 기존 반도체 접합 구조와는 다른 전하 운반체 이동 메커니즘을 규명했다. 일반적인 반도체 접합에서는 P-N 접합에서 공핍층이 형성되지만, 이번 연구에서 구현된 이중 채널 구조에서는 산화성 가스인 NO2가 흡착될 경우 N-N 및 P-N 접합 경로를 통해 전자가 이동하고, 환원성 가스인 H2S가 흡착될 경우에는 P-P 접합 경로를 통해 홀이 이동하는 것으로 나타났다. 즉, 가스 종류에 따라 유리한 전도 채널이 선택적으로 활성화되는 원리를 규명한 것이다.
최명식 교수는 “이번 연구는 하나의 소재 안에서 N형·P형 반도체 채널을 동시에 구현하고, 반응 가스에 따라 선택적으로 작동하는 메커니즘을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 또한 이러한 개념이 향후 다목적 가스 감지 장치 및 다양한 센싱 응용 분야뿐만 아니라, 반도체 소재 응용 분야로 확장될 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.
한편, 한국연구재단의 지역혁신선도연구센터사업(경북대 탄소중립지능형에너지시스템 지역혁신선도연구센터)과 Post-Doc. 성장형 공동연구사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구 결과는 최근 재료공학 분야 국제학술지 '마이크로시스템즈&나노엔지니어링(Microsystems & Nanoengineering)'에 게재됐다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
