| 세계 첫 유연성 무기반도체 재료 개발 | ||
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 최근, 중국과학원 상하이규산염연구소 스쉰(史迅), 천리둥(陳立東)은 독일 막스플랑크연구소(Max Planck Institute, MPI)와 공동으로 실온 조건에서 금속처럼 우수한 연전성을 보유한 반도체 재료 황화제일은(Argentous sulfide)을 발견하였다. 황화제일은 재료는 전형적인 반도체 재료이지만 이례적으로 금속과 유사한 역학적 성질을 보유하고 있으며 특히 우수한 연전성과 가요성(Flexibility)은 스마트 의류, 가요성 태양전지판 등 유연성 전자 분야에서 광범위한 응용 전망이 있다. 관련 연구성과는 2018년 4월 9일 "Nature Materials"에 게재되었다. 금속은 세라믹/반도체와 완전히 다른 역학적 성질을 보유하고 있다. 예를 들면 금속은 우수한 연전성, 가소성(Plasticity) 및 가공하기 쉬운 등 특성을 보유하고 있지만 세라믹/반도체는 실온 조건에서 취성이 강하고 가소성이 차하며 가공이 어려운 등 특성을 나타낸다. 해당 역학적 성질의 차이로 금속과 세라믹/반도체의 응용 분야는 완전히 상반된다. 특수한 형태 또한 변형 능력을 요구하는 응용 분야에서는 금속과 유기재료가 적합하지만 세라믹/반도체는 취성이 강한 원인으로 해당 요구를 만족시킬 수 없다. 최근 유연성 전자 분야의 발전은 신속한바, 한 차례의 전자기술 혁명을 가져올 전망이다. 유연성 전자는 유기/무기 재료 전자소자를 유연성 기판위에서 제작하는 신흥 전자기술로서 독특한 가변성 및 고효율, 저원가 제조 공법 등 장점은 정보, 에너지, 의료, 국방 등 분야에서 광범위한 응용 전망이 있다. 그러나 무기재료 특히 반도체는 모두 취성재료이기에 굽힘, 변형 및 인장 조건에서 쉽게 파괴되어 소자가 손상된다. 또한 유기 반도체는 무기 반도체에 비하여 이동도(Mobility)가 낮기에 전기전도성이 차할 뿐만 아니라 전기학적 성능의 조절 범위가 비교적 좁기에 반도체 산업의 발전 요구에 적합하지 않다. 그러므로 뛰어난 연신성 및 가요성을 보유한 무기 반도체 재료 개발은 유연성 전자 발전의 절박한 요구이다. 황화제일은 반도체 재료는 오래전에 발견되었지만 주로 실험실 연구에서만 응용되고 민간용으로 아주 적게 사용되었다. 해당 재료의 가요성은 실험 과정에서 우연하게 발견되었다. 2013년 연구팀의 1명 학생은 황화제일은 분말을 제조하여 열전 성능을 확인하려고 시도하였지만 황화제일은을 분쇄하기 어려웠다. 이것을 목격한 스쉰, 천리둥은 황화제일은이 바로 그들이 찾고 있는 금속의 연신성과 유사한 반도체 재료임을 확정하였다. 기존에 유연성 무기 열전재료를 발견하지 못하였다. 칩 제조에 광범위하게 사용되고 있는 반도체 실리콘 재료도 가요성이 없기에 실리콘 기반의 반도체를 유연성 재료로 사용하기 어렵다. 연구팀은 연구방향을 바꾸어 황화제일은 반도체 재료의 연신성 메커니즘을 규명하였다. 4년간 실험 연구를 거쳐 연구팀은 황화제일은 반도체의 가요성 성질에 대한 새로운 인식을 확고히 하게 되었다. 황화제일은 재료는 반도체 및 세라믹 재료에 비하여 아주 신기하고 독특한 역학적 성능을 갖고 있다. 황화제일은 재료는 금속과 유사한 연전성 및 변형 능력을 보유하고 있을 뿐만 아니라 외력과 대변형(Large deformation) 조건에서 파괴·손상되지 않는다. 일반 세라믹과 반도체의 가공 절삭편은 미세입자 또는 분말이지만 황화제일은 재료는 선반으로 가공한 후에도 그 절삭편은 금속과 유사한 가늘고 긴 돌돌 감긴 실모양을 나타내는데 이는 황화제일은의 역학적 성질을 한층 더 입증한다. 황화제일은의 압축변형은 최대로 50%이상에 도달한다. 3점 굽힘 시험 결과에 의하면 최대 굽힙 변형은 20%를 초과하며 인장 시험 결과에 의하면 인장 변형은 4.2%에 도달한다. 해당 수치는 기존의 세라믹 및 반도체 재료의 성능을 훨씬 초과하였고 일부분 금속의 역학적 성질과 유사하다. 연구팀은 황화제일은 재료를 유연성 전자에 응용하기 위해 황화제일은 박막을 제조하였는데 해당 박막은 덩어리 상태 황화제일은 재료에 비하여 더욱 뛰어난 변형 능력을 보유하고 있다. 황화제일은을 변형시킨 후 전기학적 성질을 연구한 결과, 수십 차, 수백 차의 중복되는 굽힘 변형을 수행한 후에도 전기적 성능은 변화되지 않거나 아주 작은 변화가 발생하였다. 황화제일은 반도체는 굽힘 및 변형 조건에서 재료의 일체성 및 전기학적 성능을 유지하며 광범위 조절 가능한 전기적 성능, 적합한 대역폭, 뛰어난 이동도 등 장점을 보유하고 있기에 유연성 전자 분야에서 광범위한 응용 전망이 있다. 향후 연구팀은 기타 금속과 유사한 역학적 성능을 갖고 있는 반도체 재료를 개발하기 위해 노력하고 있다. 정보출처 : http://www.stcsm.gov.cn/xwpt/kjdt/546968.htm |
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