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  • 기사등록 2021-03-22 12:00:01
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▲ UNIST 물리학과 박경덕 교수 연구팀이 2차원 반도체 ‘나노주름’의 물리적 특성을 제어하면서 이를 수 나노미터 수준의 정밀도로 관찰하는 데 성공했다. 사진은 박경덕 교수 연구팀. 박경덕 교수(우측하단). 박 교수 옆은 제1자지인 구연정 연구원



[기계신문] 단일층 전이금속칼코겐화합물의 발광 및 흡수 특성, 전자띠구조 및 엑시톤 거동을 제어할 수 있다면 2차원 반도체의 뛰어난 물리적 특성과 결합하여 차세대 초소형·플랙서블 반도체 및 광전자소자로 응용할 수 있다.


최근에는 구조, 전기, 광학적 특성을 조절하기 위해 변형률 제어(strain-engineering)를 통해 대면적으로 성장된 2차원 반도체 물질을 상용화하기 위한 응용연구들이 활발히 진행되고 있지만, 나노스케일에서의 능동제어 및 실시간 특성분석은 큰 걸림돌로 남아 있다.


그런데 최근 UNIST 물리학과 박경덕 교수 연구팀이 2차원 반도체 ‘나노주름’의 물리적 특성을 제어하면서 이를 수 나노미터 수준의 정밀도로 관찰하는 데 성공했다.


연구팀이 독자 개발한 ‘능동형 탐침증강 광발광 나노현미경’ 기술 덕분이다. 이 기술로 2차원 반도체의 결함으로 여겨지던 나노주름이 발광소자 제작에 유리한 특성을 지닌다는 점도 실험적으로 입증됐다. 종이처럼 얇고 굽혀지는 디스플레이 같은 차세대 전자 소자 개발이 앞당겨질 전망이다.


2차원 반도체 물질은 두께가 원자 수준으로 얇아 제조과정에서 수십 나노미터 수준의 주름이 불가피하게 생기는데, 이 주름은 반도체 물질의 기계적·전기적·광학적 균일성을 해치는 요소로 꼽힌다. 주름의 크기가 작아 기존 분광 기술로는 정확한 특성 분석이 불가능하고, 특성을 부분적으로 정밀하게 제어할 수 있는 기술이 없어 2차원 반도체의 상용화가 더디다.


연구팀이 개발한 탐침증강 광 발광 나노현미경은 나노주름의 구조적·광학적 특성 등을 15nm(나노미터) 수준으로 쪼개 정밀 분석할 수 있을 뿐만 아니라 그 특성을 자유롭게 조절할 수 있다.


이 나노현미경은 금 탐침으로 주름을 미세하게 눌러(원자 힘)가며 관찰하는 방식으로 작동된다. 탐침은 나노주름에서 나오는 약한 발광 신호를 증폭시킬 뿐만 아니라 주름 모양을 정밀하게 바꿀 수 있다. 주름의 구조적 모양이 바뀌면 이와 연관된 각종 물리적 특성이 변하게 된다.



▲ 2차원 반도체에 존재하는 엑시톤(빛 입자)이 나노주름에 모이는 ‘엑시톤깔대기’ 현상을 묘사한 그림. 탐침증강 광발광 현미경은 플라즈모닉 탐침이 물질의 광신호를 증폭시키는 원리로 시료의 구조적, 광학적 특성을 3차원 공간에서 초고분해능으로 분석할 수 있다.



연구팀은 이 기술로 ‘빛 입자’로 불리는 엑시톤이 이셀레늄화텅스텐(WSe2)의 나노주름으로 모여드는 ‘엑시톤 깔때기’ 현상을 규명했다. 빛 입자가 주름으로 몰려 나노주름의 발광 특성이 오히려 주름이 없는 상태보다 우수하다는 사실을 실험적으로 입증했다.


또 연구팀은 나노스케일에서 자유자재로 물리적 특성을 제어하는 새로운 방식의 초소형 튜너블(tunable) 나노광원 플랫폼도 실험적으로 제시했다. 금 탐침의 압력에 의한 나노주름 구조 변형으로 전자띠구조, 발광 양자수율, 엑시톤 거동과 같은 물리적 특성을 바꾸는 원리다.


구연정 UNIST 물리학과 학부생은 “기존 통념에 기반한 단순 관찰에서 멈추지 않고 능동형 나노현미경만의 독특한 기능을 활용해 골칫거리로 여겨지던 나노주름이 스위칭과 변조가 가능한 양자광원으로 쓰일 수 있다는 사실을 입증했다”고 설명했다.



▲ 능동형 탐침증강 광발광 현미경은 플라즈모닉 탐침(노란색 탐침)이 2차원 반도체의 나노주름에 수 기가 파스칼의 높은 압력을 직접 가할 수 있으므로, 물질의 기계적‧전기적‧광학적 특성을 나노스케일에서 제어하며 실시간으로 그 특성들을 측정할 수 있다(왼쪽 그림). 나노 분석 측면에서는 기존의 분광학 기법으로는 불가능했던 나노주름의 인장 변형률과 엑시톤의 분포도를 시각화 시킬 수 있다(오른쪽 그림).



박경덕 교수는 “이번 연구는 물질의 구조적·광학적 특성을 3차원 공간에서 초고분해능으로 분석하는 동시에 원자현미경 기술을 접목해 물질의 기계적 특성과 이와 연관된 전기적·광학적 특성을 실시간으로 제어하는 4차원 복합현미경을 개발한 것”이라며 “이를 통해 나노현미경의 새로운 패러다임을 제시했다”고 언급했다.


박 교수는 이어 “저차원 양자 물질의 물리적 특성 규명과 이들에 존재하는 엑시톤 같은 다양한 준입자 간 상호작용을 나노스케일에서 제어하는 새로운 연구 분야를 개척할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.


한편, 이번 연구에 사용된 2차원 반도체 물질 제작에는 성균관대 김기강 교수, 최수호 박사와 충북대 이현석 교수가 참여했으며, UNIST 화학과 이근식 교수와 김용철 연구원은 연구결과의 이론적 계산에 참여했다.


연구 결과는 국제학술지 Advanced Materials에 3월 11일자로 온라인 공개됐으며, 겉표지논문으로 선정돼 정식출판 예정이다. 또한 능동형 나노현미경에 관한 원천기술은 특허 출원되었다.


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한음표 기자 hup@mtnews.net

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