반도체 표면 원자 수준에서 제어…빛 효율 18배 이상 높여

KAIST

KAIST 연구진이 차세대 친환경 반도체 표면을 원자 수준에서 제어해 빛 효율을 18배 높이는 기술을 개발했다. KAIST 제공

TV나 스마트폰에서 빛을 내는 데 쓰이는 반도체는 크기가 작아질수록 유리하다. 크기를 줄이면 빛이 거의 나지 않는다는 고질적인 한계가 있다. 

KAIST는 조힘찬 신소재공학과 교수 연구팀이 머리카락 굵기(약 10만 나노미터, 1나노미터는 10억분의 1미터)보다 수만배 작은 크기의 반도체 표면을 제어해 빛을 내는 효율을 18배 이상 높이는 기술을 개발했다고 14일 밝혔다. 1%도 되지 않던 빛 효율을 끌어올려 세계 최고 수준의 밝기를 초소형 반도체에서 구현하는 데 성공했다. 

KAIST 신소재공학과 주창현 박사과정과 연성범 석·박사통합과정 학생이 공동 제1저자로 참여한 이번 연구는 미국화학회지(JACS)에 지난해 12월 16일 온라인으로 게재됐다.

연구팀이 개발한 기술은 차세대 친환경 반도체 소재로 주목받는 나노 반도체 입자인 ‘인듐 포스파이드(InP) 매직 사이즈 나노결정(Magic-Sized Clusters, MSC)’의 표면을 원자 수준에서 제어하는 원천 기술이다. 

앞줄 왼쪽부터 주창현 KAIST 공동 1저자, 연성범 공동 1저자, 뒷줄 왼쪽부터 하재영, 조힘찬 교수, 장재동. KAIST 제공

InP는 인듐(In)과 인(P)으로 만든 화합물 반도체 물질로 카드뮴 같은 환경 유해 물질을 쓰지 않은 친환경 반도체 소재다. MSC는 수십개의 원자로 이뤄진 초소형 반도체 입자를 뜻한다.

MSC는 모든 입자 크기와 구조가 똑같아 이론적으로는 매우 선명한 빛을 낼 수 있지만 크기가 1~2나노미터에 불과해 겉면에 생기는 미세한 결함으로 빛이 대부분 사라지는 한계가 있다. 지금까지 빛을 내는 효율이 1%에도 미치지 못했다. 문제 해결을 위해 화학물질 불산으로 표면을 깎아내는 방법이 쓰였지만 화학반응이 너무 강해 반도체 특성 자체가 망가지는 경우가 많다. 

연구팀은 접근 방식을 바꿨다. 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 감쌌다.

연구팀이 개발한 기술을 적용한 결과 기존 1% 미만이던 반도체의 빛 효율을 18.1%까지 끌어올렸다. 이는 현재까지 보고된 인듐 포스파이드 기반 초소형 나노 반도체 가운데 세계 최고 수준의 성과로 18배 이상 밝아진 것이다.

이번 연구는 그동안 제어가 거의 불가능하다고 여겨졌던 초소형 반도체의 표면을 원자 수준에서 정밀하게 다룰 수 있음을 처음으로 입증했다는 점에서 의미가 크다. 차세대 디스플레이는 물론, 양자 통신, 적외선 센서 등 다양한 첨단 기술 분야로의 활용이 기대된다.

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.

참고자료
DOI: 10.1021/jacs.5c13963
 

[김민수 기자 reborn@donga.com]