- 촉매제와 소스 물질이 필요 없는 가스 기반 공정으로 3차원 계층적 구조가 가능한 직접 기판 성장 방법 제시

건국대학교 기계설계학과의 진창현 교수(제1저자, KU연구전임)와 이동진 교수(교신저자) 연구팀은 주석 산화물 박막을 이용해 거품기와 꽃 모양의 독특한 형태를 지니고 가시광선 전 범위에서 발광특성을 가진 3차원 실리콘 산화물 마이크로/나노 구조를 합성하는데 성공했다.
 
3차원 꽃 모양의 실리콘 산화물의 발광특성 내용을 담은 이번 연구 논문은 세계적인 과학저널 네이처의 자매지인 ‘사이언티픽 리포트’(Scientific Reports) 온라인 판 8월 1일 자¹⁾에 게재됐다.

1) 논문제목: Growth Mechanism and Luminescent Properties of Amorphous SiOx Structures via Phase Equilibrium in Binary System(2원계 상평형에 의한 비정질 실리콘 산화물 구조의 성장 메카니즘과 발광 특성) 

기존의 파우더의 기체 상(狀)을 이용한 마이크로/나노 구조의 합성 방법은 실험방법이 비교적 간단하고 다양한 물질을 합성할 수 있다는 장점 때문에 널리 사용되어 왔으나 소스 파우더가 주입되는 가스의 영향으로 쉽게 비산될 뿐만 아니라 대부분이 기판에 고정된 촉매로 제한되기 때문에 그 형태가 저차원(0, 1차원)에 한정됐다. 게다가 최종 생성물이 촉매를 포함하고 있는 경우가 대부분이어서 순도를 저하시키지 않게 하기 위해서는 반드시 촉매를 제거시켜야 하는 번거로움이 있었다.
 
건국대 이동진 교수 연구팀은 소스 파우더와 촉매를 사용하지 않는 대신 고온에서 열분해 되는 주석 산화물을 활용한 새로운 가스 기반 공정으로 기판 성분을 주성분으로 하는 거품기와 꽃 형태의 3차원 구조를 개발하는 데 성공했다.
 
건국대 연구팀이 개발한 새로운 3차원 실리콘 산화물 구조에서는 기판 전체에 골고루 주입되는 주석 입자들이 실리콘 기판의 녹는점 온도를 낮출 뿐만 아니라 실리콘 산화물 내부에도 계속적으로 침투하여 촉매제의 역할을 담당하기도 한다.
 
침투한 결정질의 작은 주석 입자들이 제 2상의 계층적 나노 구조 성장을 돕고 다양한 발광 특성을 나타나게 한다. 특히 주석 입자들이 침투하는 과정과 넓은 파장대별 발광 현상을 직접 동영상으로 구현함으로써 연구결과에 대한 객관성을 확보하는데 성공했다.
 
이러한 기체 상을 이용한 새로운 합성 방법은 기판과 열분해 되는 금속 산화물의 종류에 따라 여러 가지 크기/모양/색깔을 나타내는 3차원 발광소자 구현이 가능하다는데 큰 의미가 있다.
 
진창현 교수는 “간단하지만 강력한 실험 방법인 만큼 앞으로도 다양한 재료와 공정 변수를 도입함으로써 많은 재미있는 현상들을 도출할 수 있을 것”이라며 “후속 연구를 통해 다단계의 공정 없이 기능성이 부여된 3차원의 구조를 구현함으로써 상당한 원가 절감 효과를 거둘 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.