정밀 어닐링으로 반도체 압전 감도 역대 최고 수준 달성

전자 및 센서 인사이더

새로 개발된 어닐링 공정으로 반도체 소재의 압전 반응이 전례 없는 수준으로 향상되었습니다. 제티안 미 교수(왼쪽, 교신저자)와 슈브함 몬달 박사과정생(오른쪽, 공동 제1저자). (이미지: 마르친 슈체판스키, 미시간 공대)

단순 공정 추가로 압전 성능 8배 향상

미시간대학 공학 연구진이 주도한 최근 연구에 따르면, 특정 반도체 소재의 산업 제조 공정에 단순한 단계를 추가하는 것만으로 더 강력한 휴대폰 신호, 더 정밀한 센서, 더 청정한 에너지가 가능해집니다.

기계적 응력을 전기로 변환하는 압전 특성을 가진 반도체 소재는 일상 기술의 필수 요소입니다. 휴대폰에서는 안테나 수신 신호의 노이즈를 줄이는 필터로, 자동차에서는 에어백 전개와 타이어 압력 모니터링에 사용됩니다.

제티안 미 교수는 "차세대 마이크로일렉트로닉스와 포토닉스용 신소재인 스칸듐 알루미늄 질화물(ScAlN) 박막의 압전 반응을 비교적 단순한 어닐링 공정으로 획기적으로 향상시켰다"고 밝혔습니다. 이 연구는 Nature Communications에 게재되었습니다.

700°C 2시간 열처리로 결함 보정

연구팀은 특수 챔버에서 박막을 700°C로 2시간 가열하는 공정으로, 현재 상용 기술 대비 압전 특성을 8배 개선했습니다. 이 규모의 향상은 항공우주, 의료, 에너지 등 다양한 분야의 기술 혁신을 가져올 잠재력이 있습니다. 압력과 진동에 대한 민감도 증가는 장비 안전과 구조 건전성 모니터링 센서 개선, 초음파 시술 발전, 트럭 주행 진동으로 신호등에 전력을 공급하는 것까지 가능하게 합니다.

연구진은 가열 공정이 미세 결정 박층의 결함을 보정해 소재 특성을 높이는 메커니즘도 규명했습니다.

결정립 배향 개선이 핵심 메커니즘

몬달 연구원은 "이 소재의 압전 반응은 특정 방향으로 배향된 구조적 '결정립'의 기여에서 온다. 막 성장 직후에는 이 결정립이 완벽하게 배향되지 않아 일부가 압전 반응에 효과적으로 기여하지 못한다"고 설명했습니다.

공동 제1저자 Md 메헤디 하산 타님 연구원은 "어닐링 공정이 막에 추가 에너지를 주어 결정립이 더 잘 배향되게 하고, 이것이 압전 반응 증가의 한 요인"이라고 덧붙였습니다.

기존 제조 라인 적용 용이, 추가 비용 최소화

연구팀은 분자빔 에피택시(MBE) 등 더 고품질 소재 성장법에 어닐링 공정을 적용해 압전 반응을 추가 개선할 계획입니다. 미 교수는 "개선된 압전 성능에 필요한 소재와 공정이 현재 제조 표준과 거의 동일하다"며 "이번 연구 통찰로 업계는 큰 추가 비용 없이 제품 역량을 크게 발전시킬 수 있다"고 강조했습니다.