1% 벽 넘었다…친환경 초소형 반도체 밝기 18배 향상 기술 개발

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 조힘찬 교수 연구팀이 차세대 친환경 반도체 소재로 주목받는 나노 반도체 입자 인듐 포스파이드(InP) 매직 사이즈 나노결정(MSC)의 표면을 원자 수준에서 제어하는 원천 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.

매직 사이즈 나노결정은 수십 개의 원자로 이뤄진 초소형 반도체 입자다. 이 물질은 모든 입자가 똑같은 크기와 구조를 가져 이론적으로는 매우 선명한 빛을 낼 수 있다. 하지만 크기가 1~2나노미터에 불과해 겉면에 생기는 미세한 결함에도 빛이 대부분 사라지는 한계가 있었다.

실제로 지금까지는 빛의 효율이 1%에도 미치지 못했다. 이 문제를 해결하기 위해 강한 화학 물질인 불산(HF)으로 표면을 깎아내는 방법이 쓰였지만 너무 강한 반응 탓에 반도체 자체가 망가지는 경우가 많았다.

조 교수 연구팀은 반도체를 한 번에 깎아내는 대신 화학 반응이 아주 조금씩 일어나도록 정밀하게 조절하는 에칭 전략을 고안했다. 이를 통해 반도체의 형태는 그대로 유지하면서 빛을 방해하던 표면의 문제 부분만 선택적으로 제거하는 데 성공했다.

결함 제거 과정에서 생성된 불소와 반응 용액 내 아연 성분은 염화아연 형태로 결합해 노출된 나노결정 표면을 안정적으로 감싸게 된다.

이 기술을 적용한 결과, 연구팀은 기존 1% 미만이던 반도체의 빛 효율을 18.1%까지 끌어올렸다. 이는 현재까지 보고된 인듐 포스파이드 기반 초소형 나노 반도체 가운데 세계 최고 수준의 성과라고 연구팀은 설명했다.

이번 연구는 차세대 디스플레이는 물론 양자 통신, 적외선 센서 등 다양한 첨단 기술 분야에서도 활용 가능할 것으로 기대된다.

조 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.

KAIST 신소재공학과 주창현 박사과정과 연성범 석·박사통합과정 학생이 공동 제1저자로 참여하고 조 교수와 스페인 바스크 소재·응용 및 나노구조 연구센터 이반 인판테 교수가 공동 교신저자인 이번 연구는 화학 분야 국제학술지 미국화학회지 (JACS)에 온라인 게재됐다.

jongseo12@news1.kr