"불가능? 아니 가능해" KAIST, 나노 반도체 발광효율 한계 넘었다

"기존 1% 미만이던 나노 반도체 빛 효율을 18.1%까지 끌어올렸다. 현재까지 보고된 인듐 포스파이드 기반의 '초소형 나노 반도체' 중 세계 최고 수준의 성과다. 불가능에 가깝던 한계를 넘어선 결과물이라는 점에서 의미를 갖는다. "

KAIST는 신소재공학과 조힘찬 교수 연구팀이 나노 반도체 입자 '인듐 포스파이드(InP)' 기반의 매직 사이즈 나노결정(Magic-Sized Clusters·MSC) 표면을 원자 수준에서 제어할 원천기술을 개발했다고 14일 밝혔다.

인듐 포스파이드는 인듐(In)과 인(P)으로 만든 화합물 반도체 물질이다. 카드뮴 등 환경 유해 물질을 쓰지 않는다는 점에서 차세대 친환경 반도체 소재로 부각된다.

연구에서 주목한 소재는 초소형 반도체 입자다. 이 입자는 '매직 사이즈 나노결정'으로 불리는 수십 개의 원자가 모여 만들어진다. 이론적으로는 모든 입자가 같은 크기와 구조를 가진 덕분에 매우 선명한 빛을 낼 수 있는 것으로 알려졌다. 하지만 1~2㎛에 불과한 크기에 겉면의 미세한 결함 때문에 빛이 대부분 사라지는 한계를 보였다. 이론과는 다르게 현실에서는 발광효율이 1%에도 미치지 못한 것이다.

발광효율을 높이기 위해 그간에는 강한 화학 물질인 불화수소산(HF)으로 표면을 깎아내는 방법이 쓰였다. 하지만 반응이 너무 강한 탓에 반도체 자체가 망가지는 경우가 부지기수였다.

이에 연구팀은 접근 방식을 바꿨다. 반도체를 한 번에 깎아내지 않고 화학 반응이 단계적으로 일어날 수 있게 정밀한 조절 에칭 전략을 고안한 것이다.

이를 통해 반도체 형태는 유지하면서 빛을 방해하던 표면의 일부만 선택적으로 제거하는 데 성공했다. 또 결함 제거 과정에서 생성된 불소와 반응 용액 안에서 아연 성분이 염화아연 형태로 결합해 노출된 나노 결정 표면을 안정적으로 감싸게 했다.

이 결과 연구팀은 기존 1% 미만이던 반도체 발광효율을 18.1%까지 끌어올릴 수 있었다. 최근까지 보고됐던 인듐 포스파이드 기반의 초소형 나노 반도체 중에선 세계 최고 수준의 성과로 기존보다 18배 이상 발광효율을 높인 것이다.

불가능하다고 여겨지던 초소형 반도체의 표면을 원자 수준에서 정밀하게 다룰 수 있는 전략을 고안해 실제 입증했다는 점이 이번 연구의 최대 성과다. 연구팀은 개발한 기술이 향후 차세대 디스플레이는 물론 양자통신, 적외선 센서 등 다양한 첨단 기술 분야에서 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

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 강조했다.

한편 이번 연구에는 KAIST 신소재공학과 주창현 박사과정과 연성범 석·박사통합과정 학생이 공동 제1 저자로, 조 교수와 스페인 바스크 소재·응용 및 나노구조 연구센터(BCMaterials) 이반 인판테 (Ivan Infante) 교수가 공동 교신저자로 참여했다. 연구 결과(논문)는 최근 화학 분야 미국화학회지(JACS) 온라인판에 게재됐다.