(사진 오른쪽부터) KRISS 양자측정센터 김범규 박사, 배명호 박사, 이태호 연구원(박사과정)이 저온측정 장비로 흑린 소자의 열전 특성을 측정하고 있는 모습.(사진=한국표준과학연구원 제공)
KRISS(한국표준과학연구원) 양자측정센터 배명호 박사팀은 3차원 구조의 흑린 속 전하들이 열전현상에 있어 평면 방향(2차원)으로 움직인다는 것을 입증하고, 이를 통해 반도체 '흑린' 소재의 열전 현상을 기판과의 상호 작용을 통해 제어할 수 있음을 규명했다고 14일 밝혔다.
연구진은 흑린 속 전하가 2차원 전자계 형태로 흐른다는 최근 연구 결과에 착안해 열전현상(온도가 다른 두 금속을 접촉하면 전기가 흐르게 되는 현상)에서도 동일한 움직임을 보일 것이라는 가설을 세우고, 흑린 전하의 움직임에 대한 연구를 시작했다.
'검은 인'으로 불리는 흑린은 상온에서 다른 2차원 소재보다 10배 이상 빠른 전하 이동도를 보일 뿐만 아니라, 특정 방향으로 전기 전도도는 높지만 열 전도도가 낮은 성질을 가져 효율이 높은 열전 소재 후보로 연구되고 있다.
이러한 흑린의 내부 전하들은 전계 효과를 통해 기판과 가장 가까운 몇 개 원자 층에 가두게 되면, 위아래로 자유롭게 움직이지 못하고 평면 방향(2차원)으로만 이동하게 된다.
이 과정에서 기판으로 쓰이는 산화실리콘 표면에 존재하는 불순물에 의해 생긴 불규칙적인 전기장이 흑린의 전하 흐름에 방해를 줘 열전현상에도 영향을 미친다.
연구진은 기판 속 불순물이 흑린 전하의 흐름에 방해를 줄 때의 흑린 제벡계수(재료의 두 접전 간에 온도차에 의해 발생하는 기전력과 온도차의 비)의 온도 의존성 관측을 통해 열전현상에서 흑린 전하가 평면 방향(2차원)으로 이동함을 규명했다.
이는 기판 속 불순물을 조절한다면, 흑린의 열전현상도 같이 제어할 수 있음을 보여준 것이다.
배명호 박사는 "향후 열전 반도체 소자로 흑린을 효과적으로 사용하기 위해서는 흑린과 기판의 상호작용을 정확히 이해해야 한다"며 "산화실리콘 기판의 불순물을 조절하거나 불순물이 거의 없는 질화붕소 등 다른 종류의 절연체를 활용해 열전현상을 제어하는 방법을 제안한 것에 이번 연구의 의의가 있다"고 말했다.