전북대학교 김성헌·진경환 교수(물리학과) 연구팀이 서울대학교 이진욱 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 전자빔 조사를 이용하여 차세대 반도체 소재인 페로브스카이트 박막의 일함수를 마이크로미터 수준에서 정밀하게 조절하는 기술을 개발했다.
이번 연구 성과는 ‘Electron-Beam Enables Spatially Resolved Defect-Mediated Work Function Modulation in FAPbI3 Perovskite Thin Films’라는 제목으로 국제학술지 『Advanced Science』(JCR 상위 9.4%, Impact Factor 14.1) 최신호에 논문이 게재됐다.
FAPbI3 페로브스카이트는 우수한 광학적·전기적 특성을 바탕으로 차세대 태양전지, 광검출기, LED 등 다양한 광전소자 분야에서 주목받고 있는 소재다. 특히 고집적·고정밀 소자를 구현하기 위해서는 박막 내부의 에너지 준위와 전자 상태를 원하는 위치에서 정밀하게 조절하는 기술이 중요하다.
기존에는 화학적 도핑이나 열처리 등을 이용해 페로브스카이트의 전기적 특성을 조절해 왔으나, 이러한 방법은 박막 전체의 특성을 변화시키기 때문에 마이크로미터 수준에서 국소적으로 제어하기 어렵다는 한계가 있었다.
공동연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 전자빔 조사 방식을 활용했다. 페로브스카이트 박막의 특정 영역에 전자빔의 가속 전압과 조사 시간을 조절하여 적용한 결과, 표면에 요오드 관련 결함이 형성되면서 일함수가 연속적이고 정밀하게 변화하는 것을 확인했다.
연구팀은 전자빔 조사에 의해 형성된 요오드 간극 결함이 수용체(acceptor) 역할을 하면서 일함수를 증가시키는 메커니즘도 규명했다. 또한 전자빔을 박막의 일부 영역에만 선택적으로 조사해 별도의 마스크 공정 없이 약 0.62 V의 수평형 확산 전위를 직접 형성하는 데 성공했다. 이를 바탕으로 제작된 광검출기 소자는 뚜렷한 정류 특성과 효과적인 광전하 분리 성능을 나타냈다.
이번 연구는 화학적 약품이나 복잡한 추가 공정 없이 전자빔 조사만으로 페로브스카이트 표면의 에너지 준위를 원하는 위치에 선택적으로 ‘쓰고 조절’할 수 있음을 보여주었다는 점에서 의미가 있다. 향후 2차원·평면형 광전소자, 고성능 센서 및 집적형 회로 등 다양한 차세대 소자 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부, 교육부 및 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.
