손실없는 엑시톤 조절 드디어 해냈다 … UNIST ‘세계 최초’ 기술 개발

반도체·광통신 소자 개발에 탄력

울산과학기술원 물리학과 박경덕 교수팀이 세계 최초로 엑시톤 입자를 손실 없이 조절하는 기술을 개발했다. 사진은 박경덕(맨 왼쪽) 교수, 공동 제1저자 이형우(앞줄 왼쪽), 구연정(우측) 연구원.

[아시아경제 영남취재본부 이세령 기자] 울산과학기술원(UNIST) 물리학과 박경덕 교수팀이 세계 최초로 엑시톤 입자(준입자)를 손실 없이 조절하는 기술을 개발했다고 밝혔다.

엑시톤(exciton)은 절연체나 반도체 소재 안에 생기는 입자로 음전하(-)인 전자와 양전하(+)인 정공이 합쳐진 형태라 전기적으로 중성을 띤다.

칩 성능을 높이기 위해 소자(element, 素子)를 많이 집적할수록 불필요한 전기장 간섭이 생기는데 중성인 엑시톤은 소자를 집적해도 간섭이 생기지 않아 전자 대신 활용하면 더 빠르게 작동하고 발열이 없는 반도체 칩을 만들 수 있다.

고효율 엑시톤 거동을 실험적으로 확인한 그림.

엑시톤 기반 반도체 칩을 만들려면 반도체 소재를 구부리는 기계적 변형 방식을 써야 하는데 이 과정에서 엑시톤 입자가 쉽게 소실될 수 있다.

너무 강하게 구부리면 소재 자체가 영구적으로 손상될 수 있고 변형이 충분치 못하면 열과 같은 외부 요인으로 소재 내 엑시톤 입자가 사라지고 만다.

고효율 엑시톤을 자유자재로 조절하는 기술을 개발한 박경덕 교수팀은 해당 기술이 차세대 반도체 칩 개발에 탄력을 더할 것이라 했다.

엑시톤 입자는 정전기력으로 묶여 있던 전자와 정공이 결합하면서 빛을 방출하기 때문에 디지털 정보를 별도의 광신호로 바꾸는 과정이 필요 없어 초고속 광통신 발전에도 유리하다고 전했다.

연구팀은 이번 연구에서 나노 틈새 구조를 갖는 소자(나노 갭 소자)를 만들어 변형 중 소실되기 쉬운 엑스톤의 한계를 극복했다.

소자는 틈새 구조 위에 걸쳐진 얇은 2차원 반도체 소재가 틈새 사이로 말려 들어가 있는 형태이다.

틈새의 길이는 수백 나노미터(㎚, 1억분의 1m) 단위로 매우 짧아 손실을 줄일 수 있다고 전했다.

탐침 증강 광발광 나노현미경으로 나노스케일의 엑시톤 거동을 관찰하는 것을 묘사한 그림.

엑시톤 손실을 줄이기 위해서는 2차원 반도체 소재의 단위 길이당 변형 크기인 변형률이 높아야 하는데 연구팀은 선행 개발한 ‘능동형 탐침 증가 광발광 나노현미경’의 팁을 활용해 해결했다.

현미경 팁으로 2차원 반도체 소재를 누르면 2차원 반도체 소재 안에 생기는 엑시톤 입자의 거동을 더 효율적으로 조절할 수 있다는 것이다.

능동형 탐침 증가 광발광 나노현미경의 팁은 단면적이 10㎚ 정도로 좁아서 2차원 반도체 소재 단위면적에 가해지는 압력을 기가 파스칼(㎬) 수준으로 높일 수 있다고 했다.

더 높은 압력을 가할수록 변형률이 높아지며 탐침을 제거하면 가해졌던 기계적 변형이 원상태로 회복되는 것이 이 기술의 또 다른 장점이라고 강조했다.

연구는 물리학과 대학원 이형우·구연정 학생이 주도했으며 연구에 사용된 나노 갭 소자는 삼성전자의 주혁 부사장 연구팀과 UNIST 물리학과 박형렬 교수팀이 제작했고 성균관대 에너지과학과 김기강 교수팀이 2차원 반도체 물질 제작에 참여했다.

연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 지난 2월 4일 자로 출판됐고 연구수행은 한국연구재단, UNIST, 기초과학연구원(IBS) 등의 지원을 받아 이뤄졌다.

연구팀은 “세계 최초로 나노스케일에서 엑시톤 거동 현상을 규명했고 기존 엑시톤 거동 제어 연구의 한계였던 효율 문제 해결책을 찾았다”며 “기존의 엑시톤 거동 제어 연구의 통념을 깨는 새로운 연구”라고 말했다.

박경덕 교수는 “이번에 선보인 엑시톤 기반 소자는 자유자재로 제어가 가능한 동적 소자”라며 “다양한 엑시톤 기반 나노 반도체, 광통신 소자 등의 개발과 성능 향상 연구에도 쓰일 수 있을 것”이라고 말했다.

영남취재본부 이세령 기자 ryeong@asiae.co.kr