투명반도체 신소재, 양자계산으로 찾아낸다

고성능 P형 반도체 소재 컴퓨터 계산으로 선별

우수한 투명반도체 소재를 컴퓨터 계산을 통해 발굴해낼 수 있게 됐다.

한국연구재단은 한승우 서울대학교 교수 연구팀이 양자계산을 통해 투명반도체 소자의 성능을 획기적으로 높여줄 신소재 선별기술을 개발했다고 23일 밝혔다.

투명반도체는 스마트 기기의 터치 패널, 광고용 투명 디스플레이 등 실생활에 많이 활용되고 있다. SF영화처럼, 평범한 유리 위에서 뉴스 영상과 정보 글을 볼 수 있는 기술도 이미 현실화되고 있다. 투명 반도체 성능이 향상되면 발광소자, 태양광발전, 터치패널 등 다양한 분야에서 비약적인 발전이 기대된다.

하지만 기존 투명 반도체는 소재가 가진 물성의 한계 때문에 폭넓은 분야에서 상용화되는 데 제약이 있다. 반도체 소자의 성능을 극대화하기 위해서는 N형 반도체와 P형 반도체, 두 가지 물질의 성능이 모두 높아야 하는데, 지금까지 알려진 P형 반도체 소재는 대체로 낮은 성능을 나타냈다.

연구팀은 컴퓨터 계산만으로 우수한 P형 반도체 물질을 선별 가능한 기술을 개발하는 데 성공했다. 이를 적용해 수많은 물질을 신속하게 선별해 구리리튬산화물(CuLiO), 란타넘옥시텔루라이드(La2O2Te) 등 투명하면서도 전기전도도가 우수한 P형 반도체 후보군을 새롭게 발굴했다.

재단은 특히 연구팀이 물질 내 수소 불순물 에너지를 이용해 이전 연구들과 차별화된 높은 정확도를 선보였다고 강조했다.

잘 알려진 P형 반도체와 N형 반도체 물질들의 수소 불순물 형성에너지와 전공 유효질량. 이전의 이론 연구들은 전기 전도도가 높은 p형 반도체를 찾기 위해서 사용한 물질의 양공 유효질량으로는 실험적으로 알려진 P형과 N형 반도체를 구분하기가 어려우나 이 연구에서 제안된 수소 불순물 에너지를 사용하면 P형 반도체 물질을 명확하게 구분해낼 수 있다.

삼성분계 산화물에 대한 P형 반도체 선별 결과와 우수 후보물질들. 수소 불순물 형성에너지를 통해 삼성분계 산화물들을 선별해낸 결과 지금까지 알려지지 않았던 새로운 P형 반도체 물질들(붉은색 라벨)을 찾아냈고, 그 중 기존 P형 투명 반도체보다 투명도와 전기 전도도가 더 높을 것으로 예상되는 두 물질을 제안했다.

한승우 교수는 “신물질 선별을 실험으로 규명하기에는 막대한 비용이 소요돼 불가능하다고 여겨졌으나, 앞으로 훨씬 짧은 시일 내에 효과적으로 찾아낼 수 있게 됐다”며 “연구를 통해 선별된 새로운 P형 반도체를 통해 고성능 투명 전자기기의 산업화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 설명했다.

해당 연구는 과학기술정보통신부, 한국연구재단 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행됐으며, 네이처 제휴 매체 '엔피제이 컴퓨테이셔널 머터리얼즈'에 지난 3일 논문으로 게재됐다.