다양한 고감도 가스 감지가 가능한 이차원 반도체 제조기술 개발- 수소-불소 플라즈마 도핑 기술을 이용하여 광발광 효율을 가역적으로 조절

다양한 고감도 가스 감지가 가능한 이차원 반도체 제조기술 개발- 수소-불소 플라즈마 도핑 기술을 이용하여 광발광 효율을 가역적으로 조절

 

연구팀 센서시스템연구센터

 

 

 

다양한 고감도 가스 감지가 가능한
이차원 반도체 제조기술 개발
     - 수소-불소 플라즈마 도핑 기술을 이용하여 광발광 효율을 가역적으로 조절
     - 기존에 검지되지 않던 암모니아 가스를 고감도 감지
  
최근 국내 연구진이 광발광 효율을 대폭 향상시킬 수 있고 다양한 가스의 감지가 가능한 이차원(2D) 전이금속 칼코겐 화합물 반도체 제조 기술을 개발했다.
한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 센서시스템연구센터 전영민 박사팀은 수소-불소 플라즈마 기술을 이용하여 이차원 전이금속 칼코겐화합물의 광발광 효율을 크게 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 이를 가역적*으로 조절할 수 있는 기술을 개발했다.
*가역적 : 역과정이 순과정과 완전히 동일하게 일어나는 과정

전이금속 칼코겐 화합물은 약하게 결합된 층상구조를 가지고 있어 그래핀과 유사하게 단일층으로 쉽게 분리될 수 있다. 이렇게 만들어진 이차원 전이금속 칼코겐화합물은 그래핀과 달리 반도체 특성을 가지고 있어 차세대 이차원 물질로 많은 연구가 이루어지고 있으나 낮은 광발광 효율로 인해 전자 및 광학 소자 개발에 어려움을 겪어왔다. 또한 이차원 전이금속 칼코겐화합물 반도체에서 광발광 효율은 엑시톤*의 발광과 관련이 있어 이를 가역적으로 조절할 수 있는 기술이 중요하나 지금까지는 이를 위하여 복잡한 구조의 전자 소자의 제작이 요구되어 왔다.
*엑시톤(Exciton) : 전자(電子)와 양공(陽孔)이 정전기력으로 결합하여 형성된 준입자

전영민 박사팀이 개발한 플라즈마 도핑 기술은 적은 양의 처리로도 이차원 전이금속 칼코겐화합물 반도체의 광발광 효율을 대폭 향상시킬 수 있을 뿐 아니라 복잡한 공정 없이도 쉽게 광발광 효율을 가역적으로 조절할 수 있다. 이는 상기 물질에서 광발광 효율이 전자 농도에 의존하여 변화하고 불소 원소가 높은 전기음성도*와 흡착 에너지를 가지고 있음에도 개발된 플라즈마 기술로 인하여 탈착 현상이 안정적으로 정밀하게 일어날 수 있기 때문이다.
*전기음성도 : 분자나 원자가 외부의 전자를 끌어 잡아당기는 힘의 정도

또한 연구팀은 새롭게 개발된 기술을 이용하면 이차원 물질의 전자 상태를 크게 바꿀 수 있기에 기존 이차원 텅스텐 칼코겐화물 반도체에서는 감지가 안 되었던 암모니아 가스를 고감도로 감지할 수 있다는 사실도 증명하였다. 이러한 센서의 응용은 기존에 감지가 되지 않았던 다른 n-형 가스*에도 적용할 수 있다.
*n-형 가스 : 전자를 주는 성질을 지닌 가스

KIST 전영민 박사는 “본 연구에서 개발된 기술은 차세대 스핀-편광 광발광 다이오드, 고감도 가스 센서 등의 새로운 광전 소자 개발에 중요한 기여를 할 것으로 생각하며 향후 전이금속 칼코겐화합물 외의 다른 이차원 물질들에도 다양한 형태의 적용이 가능하다”라고 밝혔다.

본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 지원으로 KIST 기관고유 미래원천기술개발사업과 글로벌 프론티어사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료과학 분야의 세계적 권위 학술지인 ‘Advanced Functional Materials’ 11월 8일자(Vol.26, No.42) 전면 표지논문(Front Cover)으로 선정되어 게재되었다.

 (논문명) Significant Exciton Brightening in Monolayer Tungsten Disulfides via Fluorination: N-type Gas Sensing Semiconductors
       - (공동 제 1저자)  한국과학기술연구원 전영인 박사
                          한국과학기술연구원 김영희 박사
       - (교신저자)       한국과학기술연구원 전영민 박사
[붙임] 연구결과 개요, 그림 설명, 연구진 이력사항
  
연 구 결 과  개 요

최근 들어 이차원 물질에 대한 연구는 그래핀을 넘어 다양한 형태의 다른 이차원 물질들로 확산되는 경향을 보이고 있다. 이차원 전이금속 칼코겐화합물은 그래핀과 달리 반도체 특성을 가지며 도핑 상태에 따라 엑시톤 광발광 효율이 바뀌는 성질을 가지고 있다. 전이금속 칼코겐화합물의 엑시톤 광발광 효율의 가역적인 조절은 지금까지 화학적인 방법을 통하여서는 불가능하였으며 복잡한 게이트 회로 구조의 제작이 요구되었다.

본 연구팀은 전이금속 칼코겐화합물의 엑시톤 광발광 효율을 가역적으로 조절할 수 있는 화학적인 방법을 수소-불소 플라즈마 기술을 기반으로 하여 최초로 개발하였다. 또한 개발된 기술을 적용할 경우에 지금까지 이루어졌던 다른 기술들에 비해 더 우수한 광발광 효율을 얻을 수 있다. 본 시스템에 대하여 수립된 엑시톤-트리온 운동학과 양자 계산 시뮬레이션은 실험 결과와 잘 일치하였으며 가역 조절의 메카니즘을 물리적으로 잘 설명하여 준다.  

연구팀은 또한 개발된 기술이 유용하게 적용될 수 있는 하나의 응용예로서 불소화된 텅스텐 칼코겐화합물과 일반 텅스텐 칼코겐화합물의 암모니아 기체의 검지 성능을 비교하였으며 이를 통하여 후자의 경우에 암모니아 기체를 전혀 검지하지 못한 반면에 전자의 물질은 고감도로 암모니아 기체를 검지할 수 있음을 증명하였다.
본 연구에서 개발된 기술은 고성능 스핀 및 밸리-편광(spin and valley-polarized) 광 발광 다이오드(light-emitting diode), 이차원 고감도 센서 등을 포함한 다양한 이차원 광전 소자 개발에 큰 기여를 할 것으로 여겨진다.

 
그 림 설 명

<그림 1> 수소-불소 플라즈마 공정에 따른 텅스텐 칼코겐화물 반도체에서의 트리온-엑시톤 광발광 효율의 변화
불소 플라즈마 공정에 따라 이차원 텅스텐 칼코겐화물 반도체의 엑시톤 광발광 세기가 크게 변한다(왼쪽 및 중앙 그림들). 수소-불소 플라즈마 기술을 적용하면 이차원 텅스텐 칼코겐화물 반도체의 광발광 효율의 반복적인 가역 조절이 가능하다. 

<그림 2> 불소화된 이차원 텅스텐 칼코겐화물 반도체의 암모니아 가스 검지 성능
기존의 텅스텐 칼코겐화물 반도체는 암모니아 가스를 전혀 검지할 수 없는 반면에 불소 플라즈마 공정에 따른 전자농도 및 광발광 효율의 변화에 의하여 불소화된 이차원 텅스텐 칼코겐화물 반도체는 높은 감도로 암모니아 가스를 검지할 수 있다.

전영민 박사 (교신저자) 이력사항

1. 인적사항
 ○ 성 명 : 전영민
 ○ 소 속 : 한국과학기술연구원 국가기반기술연구본부
            센서시스템연구센터

 
2. 주요경력사항 
○ 1994～2002 한국과학기술연구원 선임연구원
○ 2002～현재  한국과학기술연구원 책임연구원
○ 2015～현재  한국과학기술연구원 센서시스템연구센터장
                                  
3. 전문분야  
나노광학 및 응용센서, 광학센서, 고출력 레이저 및 응용