KAIST, 친환경 초소형 반도체 밝기 18배 향상

[이데일리 강민구 기자] 한국과학기술원(KAIST) 연구진이 차세대 친환경 초소형 반도체의 빛 효율을 18배 높였다. 이번 기술은 차세대 디스플레이를 비롯해 양자 통신, 적외선 센서 관련 분야에서 활용이 기대된다.

KAIST는 조힘찬 신소재공학과 교수 연구팀이 차세대 친환경 반도체 소재로 주목받는 나노 반도체 입자인 인듐 포스파이드 매직 사이즈 나노결정의 표면을 원자 수준에서 제어하는 원천 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.

연구진.(앞줄 왼쪽부터)주창현 공동 1저자, 연성범 공동 1저자, (뒷줄 왼쪽부터)하재영, 조힘찬 교수, 장재동.(사진=KAIST)

연구팀이 주목한 소재는 ‘매직 사이즈 나노결정’이라 불리는 수십 개의 원자로 이뤄진 초소형 반도체 입자다. 이 물질은 모든 입자가 같은 크기와 구조를 가져 이론적으로는 선명한 빛을 낼 수 있다. 하지만 크기가 1~2나노미터에 불과해, 겉면에 생기는 미세한 결함 때문에 빛이 대부분 사라진다. 실제 지금까지 빛의 효율이 1%에도 미치지 못했다.

이 문제를 해결하기 위해 강한 화학 물질인 불산으로 표면을 깎아내는 방법이 쓰였지만, 너무 강한 반응 탓에 반도체 자체가 망가지는 경우가 많았다.

조힘찬 교수 연구팀은 이에 접근 방식을 바꿨다. 반도체를 한 번에 깎아내는 대신 화학 반응이 아주 조금씩 일어나도록 정밀하게 조절하는 에칭 전략을 설계했다.

이후 반도체의 형태는 그대로 유지하면서, 빛을 방해하던 표면의 문제 부분만 선택적으로 제거했다. 결함 제거 과정에서 생성된 불소와 반응 용액 내 아연 성분은 염화아연 형태로 결합해 노출된 나노결정 표면을 안정적으로 감싸게 됐다.

분석 결과, 반도체 빛 효율은 기존 1% 미만에서 18.1%까지 향상된 것으로 나타났다.

연구팀은 그동안 제어가 거의 불가능하다고 여겨졌던 초소형 반도체의 표면을 원자 수준에서 정밀하게 다룰 수 있음을 입증했다는 점에서 의미를 부여했다.

조힘찬 교수는 “단순히 더 밝은 반도체를 만든 것이 아니라, 원하는 성능을 얻기 위해 원자 수준에서 표면을 다루는 기술이 얼마나 중요한지를 보여준 사례”라고 말했다.

연구 결과는 화학 분야 국제 학술지 ‘미국화학회지 (JACS)’에 지난해 12월 16일자로 온라인 게재됐다.

AI로 생성한 ‘친환경-초소형 반도체 화학 반응’.(자료=KAIST)