새로운 산소 투과막 개발
고밀도 산소 투과막은 공기로부터 산소분리, 천 연가스 전환, 탄화수소 산화 등의 다양한 분야에서 응용성이 크다. 그 중에서도 산소 투과막 반응기를 이용하여 천연가스를 신가스(syngas)로 전환시키 는 기술은 현재 사용되고 있는 기액 기술법에 비해 서 비용을 25%까지 줄일 수 있다는 점에서 주목받 고 있다. 최근 몇십년 동안 B사이트에 코발트가 도 핑된 페롭스카이트(ABO3) 산소 투과막이 이용되 어 왔으나, 높은 산소 투과율에도 불구하고 신가스 환원환경에 견디지 못하는 특성을 나타내었다. 따 라서 이를 보완하기 위해서 코발트를 함유하지 않 고 산소 투과율이 높은 막의 개발을 위한 연구가 진행되어 왔다. 그 일례로 La1-xSrxGayFe1-yO3-δ이 Elton Research 팀에 의해서 개발이 되었으며 신 가스 환경하에서 1,000시간 넘게 안정성을 나타내 는 것으로 발표되었다. 그러나 이 물질의 경우에 도 높은 비용과 낮은 산소 투과율로 인해 산업에 응용성이 낮다.
최근 중국의 한 연구팀이 코발트를 함유하지 않 은 새로운 페롭스카이트 물질인 BaCexFe1-xO3-δ
(BCF)를 개발하였다. 이 물질은 B사이트에 코발 트 대신에 철을 도핑하여 막의 안정성을 높이고, 또한 A사이트에 바륨을 택하여 산소 투과 활성화 에너지를 낮추고 산소 투과율을 높였다.
[그림 1]은 BaCexFe1-xO3-δ(BCF)의 조성(x) 에 따른 합성된 막의 XRD 패턴이다. 그림에서 보 는 바와 같이 샘플들이 안정한 큐빅 페롭스카이트 구조를 갖고 있는 것이 관찰되었으며 조성의 변화 에 따라서 격자 상수가 달라지는 것을 관찰하였다.
[그림 2]는 다양한 조성을 가진 투과막의 온도
에 따른 산소 투과 플럭스를 측정한 결과이다. 그 림에서 보는 바와 같이 온도가 증가함에 따라 산 소 투과 플럭스가 서서히 증가하였으며, 철의 도 핑정도가 증가했을 때 산소 투과 플럭스가 눈에 띄게 증가하는 것을 나타내었다. 또한 같은 샘플 의 경우 막의 두께가 두꺼워질수록 투과 속도가 감소하는 것을 보였다.
이와 같은 결과를 볼 때 새로 합성된 코발트를 함유하지 않은 BaCexFe1-xO3-δ(BCF) 산소 투과
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…NICE, 제22권 제3호, 2004그림 1. BaCe
xFe
1-xO
3-δ(BCF)의 조성(x)에 따른 합성된 막 의 XRD 패턴 (A)x=0.15, (B)x=0.2, (C)x=0.4, (D)x=0.85.
그림 2. BaCe
xFe
1-xO
3-δ(BCF) 막의 온도에 따른 산소 투
과 플럭스 (A)x=0.15(d=1.0mm), (B)calculation value,
(C)x=0.2(d=1.0mm), (D)x=0.2(d=1.5mm), (E)x=0.4
(d=1.4mm)(여기서 d는 막의 두께를 나타냄).
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 22, No. 3, 2004…
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신·기·술·소·개
막이 신가스 환원환경에서도 높은 산소 투과율과 안정성을 보임으로써 산소 투과막으로서 우수한 특성을 나타내었다[Chemical Communication, vol. 9, p. 1130(2004)].
높은 전자 이동도를 갖는 SnS
2-xSe
x박막 트랜지스터 제조
1940년대 미국의 Bell 연구소는 게르마늄(Ge) 을 사용, 세계 최초로 접합(sandwich) 형태의 트 랜지스터를 발명하였다. 1960년대까지 이 디자인 은 보다 단순한 형태인 금속산화물-반도체로 이 루어진 field-effect 트랜지스터(MOSFET)로 발 전하였다. 현재의 일반적인 컴퓨터는 최대 420만 개까지의 트랜지스터를 포함하고 있어 향후의 IT 산업에 있어서 트랜지스터의 소형화가 가장 중요 한 선결과제로 인식되고 있다. 이를 위해서는 기 존의 트랜지스터들에 비해 보다 넓은 면적을 갖는 silicon-based 고안 장치의 개발이 필수적이며 따 라서 박막 반도체(thin-film semiconductor)의 개 발에 많은 관심이 집중되고 있다.
IBM Watson 연구소의 Mitzi 박사팀은 최근 박막 반도체를 대량으로 저렴하게 생산할 수 있는 방법을 개발하였다고 발표하였다. Mitzi 박사팀은 chalcogenide 계열의 SnS2과 SnSe2을 히드라진 (hydrazine, N2H4)에 용해시킨 후, 이들 화합물을 저온에서 분해시켜가며 spin-coating 기술(접착기 면의 용액을 순식간에 회전시킴으로써 바깥쪽으로 펼쳐져 필름이 된다)로 박막을 제조하였으며, 이렇 게 얻어진 SnS2-xSex 박막을 이용, 트랜지스터를 만들었을 때, 각각 약 105Acm-2의 전류 밀도와 10cm2V-1S-1의 이동도를 가지고 있음을 확인하였
다. 높은 성능의 display생산에 트랜지스터를 적용 하기 위해서는 낮은 전류 누출 능력, 낮은 threshold 전압과 동시에 높은 전자 이동도가 요 구된다. 특히, 저가의 플라스틱을 접착 기면 재료 로 사용하는 공정에서는 제조공정의 온도가 적어 도 150℃보다 낮게 유지되어야 하는 문제가 추가 로 요구된다. 따라서, 비결정 규소와 다른 물질들 을 가능한 한 낮은 온도에서 증착시킬 수 있는 방 법의 개발은 박막 트랜지스터(thin-film transistor, TFT)의 대량 생산을 성취하는데 있어서 우선적 으로 해결되어야 할 과제로 인식되어 왔다. 이를 위해 고진공 증착법, 용액상 침전법 등을 포함하 는 다양한 시도를 통해 초박막 필름을 제조하려는 연구가 지금까지 진행되어 왔다. 그러나 이들 방 법은 대부분 TFT의 대량 생산에는 적용할 수 없 는 한계를 가지고 있었다. 이번에 Mitzi 박사팀이 개발한 박막 트랜지스터의 전류밀도와 이동도는 지금까지 보고된 spin-coating 기술로 만들어진 TFT들에 비해 최소 10배 이상 클 뿐만 아니라 저온에서 그 제조가 가능하다는 점에서, 반도체
