친환경 반도체 빛 효율 1→18%…KAIST, 원자 제어 성공

[석대건 기자]

(앞줄 왼쪽부터) KAIST 주창현 공동 1저자, 연성범 공동 1저자, 뒷줄 왼쪽부터 하재영, 조힘찬 교수, 장재동 [사진: KAIST]

[디지털투데이 석대건 기자] KAIST는 신소재공학과 조힘찬 교수 연구팀이 친환경 나노 반도체의 발광 효율을 18배 향상하는 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.

연구팀은 친환경 나노 반도체 입자인 인듐포스파이드(InP) 매직사이즈나노결정(Magic-Sized Clusters, MSC)의 표면을 원자 수준에서 제어하는 기술을 개발했다. 인듐포스파이드는 인듐과 인으로 만든 화합물 반도체로 카드뮴 같은 환경 유해 물질을 쓰지 않은 친환경 소재다. 이번 기술로 발광 효율을 기존 1% 미만에서 18.1%까지 끌어올렸다.

매직사이즈나노결정은 수십 개의 원자로 이루어진 초소형 반도체 입자다. 모든 입자가 동일한 크기와 구조를 가져 선명한 빛을 낼 수 있다. 하지만 크기가 1~2나노미터에 불과해 표면 결함 때문에 빛이 대부분 사라졌다. 기존에는 불산으로 표면을 깎아내는 방법을 썼지만 반도체 자체가 손상되는 문제가 있었다.

연구팀은 화학 반응을 조금씩 일으키도록 정밀하게 조절하는 에칭 전략을 고안했다. 반도체 형태는 유지하면서 빛을 방해하는 표면 부분만 선택적으로 제거했다. 결함 제거 과정에서 생성된 불소와 아연 성분은 염화아연으로 결합해 노출된 나노결정 표면을 안정적으로 감쌌다.

이번 성과는 인듐포스파이드 기반 초소형 나노 반도체 가운데 세계 최고 수준이다. 기존보다 18배 이상 밝아진 결과다. 초소형 반도체 표면을 원자 수준에서 정밀하게 제어할 수 있음을 처음으로 입증했다고 강조했다. 해당 기술은 차세대 디스플레이, 양자 통신, 적외선 센서 등 다양한 분야로 활용이 가능하다.

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.

연구는 KAIST 신소재공학과 주창현 박사과정과 연성범 석·박사통합과정 학생이 공동 제1저자로 참여했다. 조힘찬 교수와 스페인 바스크 소재·응용 및 나노구조 연구센터 이반인판테 교수가 공동 교신저자로 참여했다. 연구 결과는 미국화학회지에 지난해 12월 16일 온라인으로 게재됐다. 한국연구재단 나노소재기술개발사업, 차세대지능형반도체기술개발사업, 양자정보과학 인적기반 조성사업과 한국기초과학지원연구원 신진연구자 인프라지원사업의 지원을 받았다.

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