UNIST(울산과학기술원) 연구진이 2차원 반도체의 걸림돌이던 ‘나노주름’을 동시에 제어하고 관찰할 수 있는 나노현미경을 개발했다.
UNIST는 물리학과 박경덕 교수팀이 2차원 반도체 ‘나노주름’의 물리적 특성을 제어하면서 나노미터 수준의 정밀도로 관찰하는 데 성공했다고 22일 밝혔다. 이는 연구진이 독자 개발한 ‘능동형 탐침 증강 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.
연구진이 개발한 탐침증강 광발광 나노현미경은 나노주름의 구조적, 광학적 특성 등을 15㎚(나노미터, 10-9m) 수준으로 쪼개 정밀 분석할 수 있을 뿐만 아니라 그 특성을 자유롭게 조절할 수 있다.
이 나노현미경은 금 탐침으로 주름을 미세하게 눌러가며 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.
연구진은 이 기술로 ‘빛 입자’로 불리는 엑시톤이 이셀레늄화텅스텐의 나노주름으로 모여드는 ‘엑시톤 깔때기’ 현상을 규명했다. 빛 입자가 주름으로 몰려 나노 주름의 발광 특성이 오히려 주름이 없는 상태보다 우수하다는 사실을 실험적으로 입증한 것이다.
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.
박 교수는 “저차원 양자 물질의 물리적 특성 규명과 이들에 존재하는 엑시톤 같은 다양한 준입자 간 상호작용을 나노스케일에서 제어하는 새로운 연구 분야를 개척할 수 있을 것”이라고 기대했다.
한편, 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’에 지난 11일자로 온라인 공개됐다. 또 능동형 나노현미경에 관한 원천기술은 특허 출원됐다. 차형석기자 stevecha@ksilbo.co.kr
