차세대 반도체 핵심입자 ‘트라이온’ 비밀 풀었다

포스텍·IBS·충북대 공동 연구팀
가볍고 유연한 2차원 반도체 연구성과
엑시톤→트라이온 바꾸는 방법 찾아

[서울경제]

국내 연구진이 차세대 반도체인 ‘2차원 반도체’를 작동시키는 핵심 입자인 ‘트라이온’이 생성되는 원리와 조절하는 방법을 찾아냈다. 집적회로(칩)와 태양전지 등 반도체 성능을 높이려는 다양한 연구에 활용될 것으로 기대된다.

엑시톤과 트라이온이 서로 변환되는 과정을 설명한 그림. 사진 제공=포스텍

포항공대(포스텍)는 박경덕 물리학과 교수와 강민구 통합과정 연구원 연구팀이 서영덕 기초과학연구원(IBS) 다차원탄소재료연구단 부연구단장 및 울산과학기술원(UNIST) 화학과 교수, 이현석 충북대 물리학과 교수 연구팀과 함께 금 나노와이어 기반의 탐침증강 공진분광 시스템을 자체 개발함으로써 ‘엑시톤’과 트라이온의 상호 변환을 능동 제어하고 실시간 발광 특성을 분석하는 데 성공했다고 24일 밝혔다. 그동안 알려지지 않았던 트라이온의 생성 원리를 규명해낸 이번 연구 성과는 국제 학술지 ‘나노 레터스’에 최근 게재됐다.

2차원 반도체는 원자들이 하나의 층을 이루는 수준의 얇은 두께를 가진 반도체다. 부피에 비해 광특성 등 반도체에 중요한 성질이 우수하고 유연하다는 장점도 가졌다. 폴더블 디스플레이 같은 유연소자를 비롯, 나노광소자와 태양전지 등 다양한 분야에 응용해 기존 반도체 성능을 높일 수 있다.

2차원 반도체의 이 같은 성질은 전자와 정공(전자의 빈자리)이 쌍을 이루는 입자인 엑시톤과 여기에 음(-)전하를 갖는 전자가 더해져 양극과 음극, 즉 극성을 갖는 트라이온이 만들어지고 변하는 과정에서 구현된다. 엑시톤으로부터 트라이온이 어떻게 생기는지, 또 이것들을 어떻게 원하는 대로 제어하는지를 알면 2차원 반도체를 상용화할 수 있는 길이 열린다.

연구팀은 금 나노와이어라는 특수한 구조의 물질에 2차원 반도체의 한 종류인 ‘이셀레늄화 몰리브덴’을 결합한 복합 구조 물질을 만들었다. 여기에 빛을 쫴 금속 내부에서 자유전자들이 집단적으로 진동하는 현상인 ‘플라스몬’을 구현하고 이를 이용해 엑시톤이 트라이온으로 바뀌는 과정을 유도하는 데 성공했다. 아울러 엑시톤을 트라이온으로 바꾸는 것은 물론 반대로 되돌리는 것도 가능하며 ‘열전자’를 통해 이 생성 과정을 조절할 수 있음을 확인했다. 또 10㎚(나노미터·10억 분의 1m)의 분해능으로 반도체 입자의 나노광 특성을 실시간으로 분석해냈다.

제1저자인 강 연구원은 “엑시톤과 트라이온을 제어하는 데 성공했을 뿐 아니라 이 입자들이 플라스몬·열전자와 어떻게 상호작용하는지 원리를 규명했다”며 “태양전지와 광전 집적회로 등 엑시톤과 트라이온을 활용하는 분야의 연구자들에게 새로운 돌파구를 제시할 수 있을 것”이라고 말했다.

김윤수 기자 sookim@sedaily.com