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• 인하대, 반도체 나노 광전자 제작공정 기술 개발 

  송고일 : 2025-11-12
  
  ▲ 플라토-레일리 불안정성을 이용해 만들어진 주기적으로 직경이 조절된 GeS 나노와이어 및 입체 이종접합구조의 광방출 특성 조절.

  [에너지신문] 인하대학교(총장 조명우)는 최근 신내철 화학공학과 교수 연구팀이 자연계의 물리 현상을 공학적으로 활용해 차세대 나노 광전소자의 핵심 구조를 손쉽게 제작하는 공정 기술을 개발했다고 12일 밝혔다.

  이번 연구는 게르마늄과 황으로 구성된 반도체(GeS)를 머리카락보다 수천 배 가는 나노선 형태로 제작하고 이를 종이처럼 얇은 다른 반도체 층(2차원 반도체) 위에 붙여서 새로운 형태의 입체 반도체 구조를 만들었다.

  이 구조는 빛을 받았을 때 전자가 이동하는 방식이 기존과 달라 새로운 광반응 특성을 보였다.

  빛을 감지하거나 변환하는 새로운 방식의 반도체 소자를 만들 수 있는 가능성을 보여준 것이다.

  연구팀은 흐르는 물이 일정 길이 이상 늘어나면 여러 물방울로 끊어지는 자연 현상인 ‘플라토-레일리 불안정성(Plateau-Rayleigh Instability)’에 주목했다.

  이는 물줄기가 표면 에너지를 최소화하는 과정에서 생기는 자연스러운 현상이다.

  이 원리를 나노선에 적용해 고체로 된 나노선의 표면을 부분적으로 녹여 액체처럼 움직이도록 만들었고 그 결과 고체에서도 유체와 같은 거동을 보이는 새로운 나노 현상을 구현했다.

  유체화한 표면층은 플라토-레일리 불안정성으로 균일한 두께를 유지하지 못하고 일정한 간격이 굵어졌다 가늘어지는 ‘소시지’ 또는 ‘구슬’ 형태의 코어-쉘 구조로 스스로 재배열됐다.

  연구팀은 게르마늄 황화물(GeS) 나노선의 표면을 가열하는 시간을 정밀하게 조절해 코어-쉘 구조의 두께와 간격을 자유롭게 제어할 수 있음을 실험적으로 확인했다.

  또한 표면에너지에 기반한 이론 모델과 비교해 실험 결과가 물리적으로 일치한다는 사실을 입증했다.

  복잡한 식각 공정 없이도 반도체 나노선의 굵기를 정밀하게 조절할 수 있는 새로운 자기형성 공정 기술의 가능성을 제시했다는 점에서 학계 주목을 받았다.

  연구팀은 이렇게 만들어진 나노선을 얇은 반도체 층(2차원 반도체)위에 접촉시켜 주기적으로 굵어진 부분(쉘)만 선택적으로 맞닿는 구조를 구현했다.

  그 결과 이 접촉면을 따라 전하가 선택적으로 이동하면서 해당 영역의 빛 에너지가 다른 곳과 다르게 나타나는 특성을 발견했다.

  나노선의 기하학적 형태만으로도 빛의 특성과 전하의 흐름을 배열된 형태로 정밀하게 제어할 수 있음을 세계 최초로 입증한 결과로 차세대 초미세 광전자 소자 설계에 새로운 가능성을 보여줬다.

  연구팀은 이번 연구 성과가 앞으로 반도체 칩, 센서, 디스플레이, 통신 장비 등 우리 일상 전자기기의 핵심 부품을 더 작고 정교하게 만드는 기술로 이어질 수 있을 것으로 기대하고 있다.

  이번 성과는 인하대 신내철 화학공학과 교수가 연구 책임(교신저자)을 맡고 박성빈 바이오메디컬 사이언스 엔지니어링 전공 석사과정 학생과 공유진 바이오메디컬 사이언스 엔지니어링 전공 석사과정 학생이 공동 1저자로 연구를 수행했다.

  원유찬 바이오메디컬사이언스 엔지니어링 전공 석사과정 학생은 공동 저자로 참여했다.

  연구 결과가 담긴 ‘플라토-레일리 불안정성을 이용한 저마늄 황화물 나노선의 직경 제어 및 나노스케일 광전자 이종접합 구현’(Harnessing Plateau-Rayleigh Instability in GeS Nanowires for Nanoscale Optoelectronic Heterojunctions)이라는 제목의 논문은 나노 분야 권위 저널인 ‘Nano Letters’에 최근 온라인판으로 게재됐다.

  또한 미국화학회(ACS)에서 발간하는 모든 저널들 중 하루에 한 편만 선정되는 ACS Editors Choice 논문으로도 채택돼 편집장들로부터 그 우수성을 인정받기도 했다.

  신내철 인하대 화학공학과 교수는 “플라토-레일리 불안정성이라는 유변학적 자연 현상을 공학적으로 활용해 기존 공정의 한계를 뛰어넘는 새로운 1D·2D 하이브리드 나노구조체를 구현했다는 데 의의가 있다”라며 “이번 기술은 향후 나노스케일 광센서, 양자 광원 등 차세대 나노 광전자 소자 개발에 핵심 기반이 될 것’이라고 밝혔다.

  한편 이번 연구는 한국연구재단 기초연구사업(중견연구) 및 한국에너지기술평가원 에너지인력양성사업을 통해 수행됐다.

  출처 : 에너지신문(https://www.energy-news.co.kr/)