나노선의 두께를 마음대로
조절할 수 있는 신기술 개발
- 원하는 빛만을 선택적으로 흡수하는 새로운 나노 광소자 개발 가능 -
□ 반도체 나노선의 두께를 마음대로 조절할 수 있는 새로운 합성기술이 한미 국제공동연구팀에 의해 개발되었다. 이번 연구로 원하는 색깔의 빛만을 선별하여 흡수하는 새로운 나노 광소자 개발의 가능성을 열었다.
o 이 기술은 궁극적으로 특정 빛만을 민감하게 감지하는 값싸고 간편한 광검출기 개발에 응용될 수 있다.
□ 고려대 박홍규 교수와 미국 하버드대 찰스 리버(Charles Lieber) 교수(공동 교신저자)가 주도하고 고려대 노유신 박사후연구원과 경희대 김선경 교수가 참여한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단에서 추진하는 리더연구자지원사업의 지원으로 수행되었고, 세계적인 과학저널 Nature의 자매지이자 나노분야 최고 권위지인 Nature Nanotechnology 3월 10일자에 게재되었다.
* 논문명 : Plateau-Rayleigh crystal growth of periodic shells on one-dimensional substrates
□ 나노미터(십억분의 1미터)의 두께를 갖는 머리카락 모양의 반도체 나노선은 부피에 비해 표면적이 크고, 독특한 전기적？광학적 특성을 가지고 있어 나노레이저나 나노태양전지와 같은 차세대 나노 광소자에 활용된다.
o 특히 반도체 나노선의 전기적？광학적 특성은 나노선의 두께에 따라 크게 변하기 때문에 나노선의 두께를 원하는 대로 정밀하게 조절하는 것은 매우 중요하다.
o 하지만 나노선의 두께를 조절하고, 하나의 나노선에서 다양한 물질과 구조적인 특징이 동시에 나타날 수 있도록 나노선을 합성하는 것은 매우 어려웠다.
□ 연구팀은 플라토-레일리 불안정 원리*를 반도체 물질의 결정성장 과정에 적용해, 반도체 나노선의 축 방향으로 주기적으로 두께가 바뀌는 껍질 구조를 합성하여 나노선의 두께를 자유롭게 조절하는데 성공하였다.
* Plateau-Rayleigh 불안정 원리 : 18세기 Plateau와 Rayleigh는 표면 장력에 의해 얇은 1차원적 물기둥이 점차 갈라져 여러 개의 작은 0차원 물방울들로 변하는 자연 현상을 설명하였는데, 이를 Plateau-Rayleigh 불안정 원리라고 함
o 연구팀은 껍질을 성장시킬 때 낮은 압력에서 가스를 주입하면 표면 에너지가 감소해 나노선의 축 방향으로 주기적인 껍질 구조가 형성됨을 발견했다.
o 또한 합성 조건에 따라 껍질의 종류뿐만 아니라 두께와 주기, 단면의 모양까지도 원하는 대로 조절할 수 있음을 확인하였다.
□ 연구팀은 주기적인 껍질을 갖는 실리콘 나노선의 광학적 특성이 나노선 껍질의 두께와 주기에 따라 확연히 다른 광산란 및 광흡수 특성을 보인다는 사실을 밝혔다.
o 특히 껍질의 주기가 6마이크로미터(백만분의 1미터)인 실리콘 나노선의 경우, 껍질이 얇은 부분은 파란색 빛만을, 껍질이 두꺼운 부분은 초록색 빛만을 주로 흡수함을 알아냈다.
□ 박홍규 교수는“이번 연구는 나노선 합성이라는 새로운 연구분야를 개척한 의미 있는 연구성과”라며, “주기적인 껍질을 갖는 나노선만이 가질 수 있는 독특한 광학 흡수 특성을 이용해 원하는 빛만을 선택적으로 흡수할 수 있는 새로운 나노 광소자를 개발할 수 있어 파급효과가 매우 클 것으로 기대된다”고 밝혔다.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
반도체 나노선은 부피에 비해 표면적이 크고 양자현상, 탁월한 결정성, 자가조립 등 독특한 특성을 가지고 있어, 기존 공정 및 벌크 물성의 한계를 극복하고 새로운 기능성을 확보할 수 있을 것으로 기대된다. 특히 나노선의 전기적, 광학적 특성은 나노선의 두께에 의해 크게 변하기 때문에 나노선의 두께를 원하는대로 조절하는 것은 매우 중요하다. 하지만 나노선의 두께를 조절하고 하나의 나노선에서 다양한 물질 및 구조적인 특성이 동시에 나타날 수 있도록 나노선을 화학적으로 합성하는 것은 이제까지 힘든 일이었다.
18세기 Plateau와 Rayleigh는 표면 장력에 의하여 얇은 1차원적 물기둥이 점차 갈라져 여러개의 작은 0차원 물방울들로 변하는 자연 현상을 설명하였는데, 이를 ‘Plateau-Rayleigh 불안정 원리’라고 한다. 본 연구팀은 이 성장 과정에 적용하였고, 균일한 지름을 갖는 반도체 나노선 위에 나노선의 축 방향으로 주기적인 껍질 구조를 합성하는데 성공하였다.
2. 연구내용
본 연구에서는 Plateau-Rayleigh 불안정 원리를 반도체 물질의 결정성장 과정에 적용하였고, 이러한 성장 방식을 ‘Plateau-Rayleigh 결정성장’이라 명명하였다. 우선 기본이 되는 지름이 균일한 실리콘 나노선을 합성하고 이 위에 껍질 구조를 재성장 시키는데, 만약 높은 압력 및 높은 온도 하에서 SiH4 가스를 주입하면 일반적인 균일한 껍질 구조의 나노선이 합성된다. 하지만 껍질을 성장시킬 때 낮은 압력 하에서 SiH4 가스를 주입하게 되면 표면 에너지 감소에 의해 나노선의 축 방향으로 주기적인 껍질 구조가 합성된다. 즉 Plateau-Rayleigh 불안정 원리에서 여러 개의 작은 0차원 물방울들이 생기는 것처럼, 나노선 위에 여러 개의 작은 껍질 구조가 형성되는 것이다. 주기적 껍질 구조를 갖는 나노선은 부피가 동일하다면 균일한 껍질을 갖는 나노선 구조에 비해 표면 에너지가 낮고 열역학적으로 더 안정적이게 된다. 주기성 및 단면의 모양과 크기 등 껍질 구조의 구조적 변수들 또한 다양하게 조절될 수 있다. 이는 성장 물질의 확산 길이와 같은 결정 성장 동역학적 변수와 결정면의 energetics와 같은 다양한 성장 요인들이 복합적으로 작용하여 나타난 결과이다.
Plateau-Rayleigh 결정성장 방법으로 합성된 반도체 나노선은 그 구조가 매우 다양하게 변화될 수 있다. 성장온도, 성장시 전체압력, SiH4 가스의 주입시 부분 압력, SiH4 가스 및 H2 가스의 주입량 정도 그리고 성장시간 등 성장 조건 변수들을 체계적으로 조절할 수 있다. 실리콘 껍질은 성장 조건에 따라서 450 nm에서 12 μm까지 주기성을 다양하게 조절할 수 있다. 특히 성장 온도와 압력을 고정한 뒤 SiH4의 주입량을 증가시키면 나노선 껍질의 주기가 점차적으로 짧아지는 것을 알 수 있다. 즉 주기와 SiH4의 주입량은 반비례적 관계를 갖고 있다. 반대로 가스의 주입량과 압력을 고정한 뒤 성장 온도를 높이면 나노선 껍질의 주기는 점점 증가한다. 또한 성장시 시간이 지남에 따라서 나노선의 주기는 동일하게 유지되면서 실리콘 껍질의 단면 크기와 fill fraction만 증가하는 것을 관측하였다.
주기적 껍질 구조를 갖는 나노선의 응용 가능성을 살펴보기 위해 이 나노선들의 광학적인 흡수 특성을 살펴보았다. 특히 주기가 6 μm이고 기본 나노선의 지름이 205 nm, 껍질의 지름이 260 nm인 실리콘 나노선의 경우, dark-field 현미경으로 측정한 결과 나노선의 지름에 따라 매우 다른 광산란 특성을 측정하였다. FDTD 전산모사를 통해 계산한 결과 파장이 445 nm일 때는 단면의 크기가 작은 나노선 안쪽 부분에서, 파장이 490 nm일 때는 이와 반대로 단면의 크기가 큰 나노선 껍질의 바깥쪽 부분에서 많은 흡수가 나타남을 확인하였는데, 이는 실험과 아주 잘 일치하는 결과이다. 만약 나노선 주기가 6 μm에서 400 nm로 극히 짧아지면 독특한 광특성이 나타나는데, 흡수 스펙트럼의 장파장 영역에서 아주 강한 흡수 peak들을 관측할 수 있다. 껍질 구조의 짧은 주기 때문에 나노선을 일종의 grating으로 생각할 수 있고, 나노선의 축 방향으로 진행하는 광학적 모드와 결합하는 grating 흡수 모드가 나타나는 것이다. 이 grating 모드는 나노선 껍질 구조의 주기를 적절히 조절하면서 위치를 장파장 혹은 단파장 쪽으로 이동시킬 수 있다.
3. 기대효과
본 연구단이 세계최초로 보고하는 1차원의 주기적인 껍질 구조를 갖는 반도체 나노선에 대한 합성 결과는 새로운 연구분야를 개척하였다는 학술적인 측면에서 그 의미가 매우 크다. 이미 오랫동안 잘 알려진 Plateau-Rayleigh 불안정 원리의 깊은 이해를 통해서 1차원 나노선 구조에서만 독특하게 나타나는 결정 성장방식을 실험적으로 관찰하였고 이론적 모델을 통해서 이 현상들을 분석하였다. 또한 주기적인 껍질을 갖는 나노선만이 가질 수 있는 독특한 광학 흡수 특성을 이용함으로써, 빛의 선택적 흡수 등이 요구되는 다양한 분야에 응용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 나노선은 새로운 나노 전자소자 및 나노 광소자 뿐 아니라 광역학(optomechanics) 소자로서도 응용이 가능하여 그 파급력이 매우 높다.
연 구 결 과 문 답
- 이번 성과 뭐가 다른가
세계최초로 반도체 나노선의 축 방향으로 주기적인 껍질 구조를 합성하는데 성공했다.
- 어디에 쓸 수 있나
빛을 선택적으로 흡수할 수 있는 나노 광소자 혹은 나노 광검출기 개발에 사용될 수 있다.
- 실용화까지 필요한 시간은
도핑과 같은 추가로 해결해야 하는 문제로 1-2년 정도의 시간이 소요될 것이다.
- 실용화를 위한 과제는
반도체 나노선에 선택적으로 도핑을 할 수 있는 기술 개발이 필요하다.
- 연구를 시작한 계기는
물줄기가 작은 물방울들로 변하는 현상을 나노선의 합성에 이용할 수 있을까 하는 생각으로부터 시작되었다.
출처: 미래창조과학부 (http://www.msip.go.kr)