[아이뉴스24 박종수 기자] 전북대학교 전자재료공학전공 박광욱 교수 연구팀이 스마트폰으로 촬영한 사진을 이용해 2차원 층상 반도체 이황화하프늄(HfS2) 박막의 열화 상태를 정밀 분석에 앞서 간단히 확인할 수 있는 이미지 기반 스크리닝 방법을 제시했다.
HfS2는 전이금속 칼코게나이드(TMD) 계열의 층상 반도체로 전자·광전자 소자 응용 가능성이 높지만, 공기 중 산소와 수분에 민감해 빠르게 산화되는 문제가 있다.
특히 높은 습도에서는 수일 사이에 특유의 색이 옅어지고 Raman 신호도 크게 감소하는 등 고유의 물리·화학적 특성이 크게 변화한다.
이번 연구는 연구팀이 앞서 발표한 HfS2 박막의 대기 중 열화 연구(DOI: 10.1016/j.mssp.2025.109471)를 발전시킨 후속 연구다.
선행 연구에서는 전북대 황주찬 박사과정 학생이 HfS2 박막의 성장과 습도에 따른 열화를 분석해, 높은 습도에서 소재가 빠르게 열화되고 보호막이 이를 억제할 수 있음을 확인했다.
후속 연구에서는 당시 축적된 HfS2 시료 사진과 Raman 측정 결과를 새로운 관점에서 다시 분석해, 사진에서 얻을 수 있는 색상과 이미지 정보만으로 시료의 열화 상태를 사전에 판단할 수 있는지를 검증했다.
연구 아이디어는 HfS2가 열화되면서 색이 옅어지는 현상에서 출발했다.
박광욱 교수는 오랜 친구이자 평소 코딩을 즐겨 해온 전용철 변리사와 이 현상을 논의하던 중, 색 변화와 소재의 실제 열화 사이의 연관성을 이용하면 Raman 등의 정밀 측정 전에 시료 상태를 간단히 확인할 수 있을 것이라는 아이디어를 제안했다.
현재 마이스타24특허법률사무소 대표인 전용철 변리사가 이미지의 정량 분석과 데이터 처리에 참여하면서 연구가 구체화됐다.
연구팀은 삼성 갤럭시 노트10 5G(SM-N971N) 스마트폰으로 촬영한 HfS2 시료 사진에서 색상, 분포, 질감 등의 정보를 수치화했다. 특히 CIE Lab 색공간의 b* 값과 전체적인 색상 변화량을 나타내는 ΔE 등을 이용해 공기 중 노출 시간에 따른 변화를 분석했다.
사진은 전문 촬영 장비가 아닌 스마트폰 카메라와 실내 LED 조명, 흰색 A4 용지를 이용해 촬영됐다.
분석 결과 열화가 진행된 HfS2 시료의 색 변화는 Raman으로 확인한 열화 경향과 연관성을 보였으며, 광학적 변화가 뚜렷한 시료에서는 b* 값만을 이용한 단순 분석으로도 약 6.78일의 오차로 열화 시점을 추정할 수 있었다.
이번 연구는 정상적으로 성장된 HfS2와 열화된 HfS2의 이미지 데이터를 기준으로 확보해 두면, 새로 성장한 시료를 동일한 조건에서 스마트폰으로 촬영해 현재 상태를 빠르게 비교할 수 있음을 보여준다.
Raman이나 XPS 등 정밀 분석에 앞서 시료 상태를 점검하고 분석 우선순위를 정하는 초기 스크리닝 수단으로 활용할 수 있다는 의미다.
박광욱 교수는 “HfS2는 성공적으로 성장한 뒤에도 공기 중에서 빠르게 산화돼 실제 측정 시점에는 처음과 다른 상태가 될 수 있다”며 “이번 방법은 정밀 분석을 대신하는 것이 아니라, 시료의 열화 정도를 빠르게 확인하고 어떤 시료를 우선적으로 분석할지 판단하기 위한 초기 체크업 수단”이라고 설명했다.
연구 결과는 “Raman-calibrated image-based screening of ambient aging in CVD-grown HfS2 thin films”이라는 제목으로 Q1급 SCIE 학술지 Materials Science in Semiconductor Processing에 게재됐다 (DOI: 10.1016/j.mssp.2026.111122).
/전북=박종수 기자(bells@inews24.com)