KBSI, 표면 오염에 의한 일함수 변화 상관관계 규명 성공

차세대 반도체 소자, 전극촉매 및 이차전지 개발 기대

[대전=뉴시스] 표면의 일함수 측정방법 모식도. *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 한국기초과학지원연구원(KBSI)은 소재분석연구부 정범균 박사팀이 초고진공 환경에서 백금 단결정 표면에 존재하는 미량의 기체오염도가 일함수에 미치는 정량적인 영향을 규명했다고 30일 밝혔다.

일함수는 반도체와 금속 간 전자의 에너지를 결정하는 값으로, 고성능 회로소자 구현에 매우 중요하다. 반도체 소자와 금속-반도체 접합부분 간 일함수 차이가 적을수록 접촉저항은 줄고 전자의 흐름은 좋아진다.

일함수는 표면의 원자배열, 화학상태, 미량의 오염에 크게 변화하기 때문에 이런 변수들을 조절할 수 있어야 원하는 일함수 값을 가질 수 있다. 

KBSI 연구팀은 소재분석연구부에 설치된 최첨단 표면 분석장비인 '근상압 X선 광전자분석기'를 활용해 초고진공 상태에서 존재하는 극미량 잔류 기체로 인한 표면 오염이 백금 표면의 일함수에 미치는 영향을 정량적으로 분석했다.  

분석 결과, 기체가 매우 희박한 초고진공 환경에서도 미량의 잔류 기체(H₂, CO)에 의해 백금 표면에 탄소 오염이 발생하고 이로 인해 일함수가 최대 1eV까지 감소하는 것으로 확인됐다.

이는 일함수 값을 안정되게 유지하려면 탄소 오염이 일어나지 않도록 진공 챔버 내 기체환경을 조절할 필요가 있다는 의미다.

 또 표면 오염을 제거하는 기체환경에서의 일함수 변화 측정을 위해 탄소 오염물을 산화 제거시킬 수 있는 산소를 챔버 안에 주입한 결과, 탄소는 제거되지만 그만큼 산소 기체가 흡착되면서 일함수가 최대 1eV까지 증가하는 것으로 나타났다.

이는 탄소와 산소가 아닌 다른 종류의 기체를 챔버 안에 주입해 금속 표면에 흡착시켜도 일함수 값이 변화할 가능성이 있음을 시사한다.

 금속 표면의 오염 등 화학적 상태와 일함수의 변화라는 두가지 특성 간 상관관계를 정량적으로 규명한 이번 연구는 표면과학 분야 국제 학술지 'Applied Surface Science'에 최근 게재됐다.
  
정범균 박사는 "금속 재질의 회로 도선과 반도체 소자 간 일함수를 일치시키면 그만큼 계면 저항이 줄게 돼 저전력으로도 회로가 잘 작동하게 된다"며 "이런 계면 제어방법은 향후 고성능 반도체 집적회로 제작은 물론 차세대 전극소재 개발에 필요한 촉매 및 반응물질의 계면 간 전자흐름 연구, 이차전지 내 이온의 흐름을 최적화하는 기술개발에 활용될 수 있다"고 말했다.


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