한국과학기술원(KAIST) 연구진이 머리카락 굵기(약 10만 나노미터)보다 수만 배 작은 크기의 나노 반도체 한계를 해결할 수 있는 새로운 표면 제어 기술을 개발했다. 차세대 디스플레이는 물론, 양자 통신, 적외선 센서 등 다양한 첨단 기술 분야로의 활용이 기대된다.
KAIST는 조힘찬 신소재공학과 교수 연구팀이 나노 반도체 입자인 인듐 포스파이드 매직 사이즈 나노결정의 표면을 원자 수준에서 제어하는 원천기술을 개발했다고 14일 밝혔다.
매직 사이즈 나노결정은 수십 개의 원자로 이루어진 초소형 반도체 입자다. 이 물질은 모든 입자가 똑같은 크기와 구조를 가져 이론적으로는 매우 선명한 빛을 낼 수 있다. 그러나 크기가 1~2나노미터(㎚)에 불과해 겉면에 생기는 미세한 결함 때문에 빛이 대부분 사라지는 한계가 있다. 실제 지금까지는 빛의 효율이 1%에도 미치지 못했다.
연구팀은 반도체를 한 번에 깎아내는 대신, 화학 반응이 조금씩 일어나도록 정밀하게 조절하는 에칭 전략을 고안했다. 이를 통해 반도체 형태는 그대로 유지하면서 빛을 방해하던 표면 문제 부분만 선택적으로 제거하는 데 성공했다.
결함 제거 과정에서 생성된 불소와 반응 용액 내 아연 성분은 염화아연 형태로 결합해 노출된 나노결정 표면을 안정적으로 감싸게 됐다.
기술 적용 결과 기존 1% 미만이던 반도체의 빛 효율을 18.1%까지 향상됐다. 이는 현재까지 보고된 인듐 포스파이드 기반 초소형 나노 반도체 가운데 세계 최고 수준 성과로, 기존보다 18배 이상 밝아진 수준이다.
연구팀은 그동안 제어가 거의 불가능하다고 여겨졌던 초소형 반도체의 표면을 원자 수준에서 정밀하게 다룰 수 있음을 처음으로 입증했다는 점에서 의미가 있다고 설명했다.
조힘찬 교수는 “이번 연구는 단순히 더 밝은 반도체를 만든 것이 아니라, 원하는 성능을 얻기 위해 원자 수준에서 표면을 다루는 기술이 얼마나 중요한지를 보여준 사례”라고 말했다.
이번 연구 성과는 화학 분야 미국화학회지(JACS)에 지난 12월 16일 온라인 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
