신병하 교수(좌)와 배성열 박사과정
[대전=일요신문] 육심무 기자 = KAIST 신소재공학과 신병하 교수와 IBM 연구소의 오키 구나완 박사 공동 연구팀이 반도체 특성 분석의 핵심 기술인 홀 효과(Hall effect)의 한계를 넘을 수 있는 새로운 반도체 정보 분석 기술을 개발했다.
이번 연구는 140년 전 처음 발견된 이래로 반도체 연구 및 재료 분석의 토대가 된 홀 효과 측정에 대한 새로운 발견으로 향후 반도체 기술 개발에 이바지할 수 있을 전망이다.
1879년 에드윈 홀(Edwin Hall)이 발견한 홀 효과는 물질의 전하 특성(유형, 밀도, 이동성 또는 속도)에 대한 중요한 정보를 제공하며 반도체 소자를 이해하고 설계하는 데 필요한 특성들이다.
이러한 이유로 홀 효과는 지난 100년이 넘는 시간 동안 가장 일반적인 반도체 특성 분석 기법의 하나며 전 세계의 반도체 연구기관에서 보편적으로 사용되고 있다.
그러나 현재까지의 분석 기법으로는 홀 효과를 통해 다수 운반체(Majority carrier)와 관련한 특성만 파악할 수 있고, 태양 전지와 같은 소자의 구동 원리 파악에 필수인 소수 운반체(Minority carrier) 정보는 얻을 수 없다는 한계가 있었다.
연구팀은 문제 해결을 위해 ‘포토 홀 효과(Carrier-Resolved Photo-Hall·CRPH)’ 기술을 개발했다. 이 기술을 사용하면 한 번의 측정으로 다수 운반체 및 소수 운반체에 대한 많은 정보를 동시에 추출할 수 있다.
기존 홀 측정에서는 세 가지 정보를 얻을 수 있었다면 연구팀의 새로운 기술은 실제 작동 조건을 포함한 여러 광도에서 광여기 전하의 농도, 다수 운반체 및 소수 운반체의 전하 이동도, 재결합 수명, 확산 거리 등 최대 일곱 개의 중요한 정보를 얻을 수 있다.
연구팀의 이 기술은 태양 전지, 발광 다이오드와 같은 광전자 소자 분야에서 사용 가능한 신소재 개발 및 최적화에 핵심적인 역할을 할 것으로 보인다.
신병하 교수는 “지난 2년간의 연구가 좋은 결심을 맺게 되어 기쁘고, 이 기술을 통해 새로운 광소자 물질의 전하 수송 특성을 이해하고 더 나은 소자를 개발하는 데 큰 도움이 되리라 믿는다”고 말했다.
신병하 교수와 오키 구나완 박사가 교신 저자로, 배성열 박사과정이 2 저자로 참여한 이번 연구 결과는 논문명 ‘Carrier-Resolved Photo Hall Effect’로 국제 학술지 ‘네이처(Nature)’ 지난달 7일 자 온라인판과 이달 7일 정식 게재됐다.
한편 최근 차세대 태양전지로 각광받고 있는 대표적인 물질 중 하나인 페로브스카이트 태양전지는 근래 광전변환효율의 급격한 증가로 인해 실리콘 태양전지와 대등한 효율을 보이고 있다.
그러나 이를 넘어선 초 고효율을 가지는 태양전지 제작을 위해서는 해결해야 할 근본적이 문제들이 있다:
광원에 노출된 상황 하에서 태양전지 재료의 성능은 소수 캐리어 정보와 관련된 물리적 특성에 크게 의존하지만 현재까지 태양전지가 구동되는 광원 조건에서 해당 특성을 분석할 수 있는 기술은 존재하지 않는다.
따라서 학계에서는 태양전지 소자 구동에 큰 영향을 끼치는 물성들의 정보를 모두 얻을 수 있는 분석시스템 구축이 필수적인 선결 문제점으로 여겨겨지고 있다.
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