친환경 초소형 나노반도체 밝기 1→18%…세계 최고기술

KAIST 조힘찬 교수팀, 나노반도체 발광효율 한계 극복

차세대 디스플레이·양자통신·적외선 센서에 활용 기대

[대전=뉴시스] 카이스트(KAIST) 연구진이 원자단위 정밀 제어기술을 통해 친환경 나노반도체의 발광 효율 한계를 극복했다. 연구 개요도. (사진=KAIST 제공) 2026.01.14. [email protected] *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내연구진이 매우 작은 친환경 나노반도체의 발광 성능을 세계 최고 수준으로 확보하는데 성공했다.

한국과학기술원(카이스트·KAIST)는 신소재공학과 조힘찬 교수팀이 원자수준의 표면제어 기술로 친환경 나노반도체 발광 효율 한계를 극복하고 최고 효율을 달성했다고 14일 밝혔다.

이번에 조 교수팀은 차세대 친환경 반도체 소재인 나노반도체의 입자 '인듐 포스파이드(InP) 매직 사이즈 나노결정(Magic-Sized Clusters·MSC)' 표면을 원자수준에서 제어하는 원천기술을 개발했다.

인듐 포스파이드(InP)은 인듐(In)과 인(P)으로 만든 화합물 반도체 물질로 카드뮴 같은 환경 유해 물질을 쓰지 않은 친환경 반도체 소재다.

나노반도체는 이론적으로는 밝은 빛을 낼 수 있지만 실제로는 빛이 거의 나지 않는 문제가 있었다.

연구팀 '매직 사이즈 나노결정'이라 불리는 수십개의 원자로 이뤄진 초소형 반도체 입자에 주목했다. 이 물질은 모든 입자가 똑같은 크기와 구조를 가져 이론적으로 매우 선명한 빛을 낼 수 있지만 크기가 1~2나노미터(㎚)에 불과해 겉면에 생기는 미세한 결함 때문에 빛이 대부분 사라져 빛 효율이 1%에도 미치지 못했다.

문제해결을 위해 강한 화학물질인 불산(HF)으로 표면을 깎아내는 방법이 쓰이고 있으나 너무 강한 반응 탓에 반도체 자체가 망가지는 경우가 많다.

조 교수팀은 반도체를 한번에 깎아내는 대신 화학반응이 매우 천천히 일어나도록 정밀하게 조절하는 '에칭'전략을 고안했다. 이를 통해 반도체의 형태는 유지하면서 빛을 방해하던 표면의 문제 부분만 선택적으로 제거하는 데 성공했다.

또 결함 제거과정에서 생성된 불소와 반응용액 내 아연성분을 염화아연 형태로 결합시켜 노출된 나노결정 표면을 안정적으로 감싸도록 했다.

이 기술로 연구팀은 기존 1% 미만이던 반도체의 빛 효율을 18.1%까지 끌어올렸다. 이는 현재까지 보고된 인듐 포스파이드 기반 초소형 나노반도체 가운데 세계 최고 성능이다.

이번 연구는 그동안 제어가 불가능하다고 여겨졌던 초소형 반도체의 표면을 원자수준에서 정밀하게 다룰 수 있음을 처음으로 입증했다는 점에서 의미가 크다. 차세대 디스플레이는 물론 양자통신, 적외선센서 등 다양한 첨단기술 분야에서 활용이 기대된다.

연구결과는 화학분야 최고 권위 학술지 중 하나인 '미국화학회지(JACS)'에 지난해 12월 16일 게재됐다. 연구논문에는 KAIST 신소재공학과 주창현 박사과정과 연성범 석·박사통합과정 학생이 공동 제1저자로, 조 교수와 스페인 바스크 소재·응용 및 나노구조 연구센터(BCMaterials) 이반 인판테(Ivan Infante) 교수가 공동 교신저자로 참여했다.

조 교수는 "이번 연구는 단순히 더 밝은 반도체를 만든 것이 아니라 원하는 성능을 얻기 위해 원자수준에서 표면을 다루는 기술의 중요성을 보여준 사례"라면서 "불가능하다 여겨졌던 초소형 반도체의 표면을 원자수준서 제어할 수 있다는 것을 최초로 입증했다"고 말했다.


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