반도체 나노선의 두께를 마음대로 조절할 수 있는 새로운 합성기술이 한미국제공동연구팀에 의해 개발됐다. 나노미터(십억 분의 1미터) 두께인 머리카락 모양의 반도체 나노선은 부피에 비해 표면적이 크며, 양자현상, 탁월한 결정성, 자가 조립 등 독특한 특성을 가지고 있는 것이 특징이다.

나노 레이저나 나노 태양전지와 같은 차세대 나노광소자에 활용된다. 연구진은 이번 연구를 통해 원하는 색깔의 빛만을 선별하여 흡수하는 새로운 나노 광소자 개발의 가능성을 열었다.

이로써 특정 빛만을 민감하게 감지하는 값싸고 간편한 광검출기 개발에 응용가능성을 기대할 수 있게 됐다. 반도체 나노선의 전기적·광학적 특성은 나노선의 두께에 따라 크게 변하기 때문에 나노선의 두께를 원하는 대로 정밀하게 조절하는 것은 매우 중요한 문제다. 하지만 나노선의 두께를 조절하고 하나의 나노선에서 다양한 물질과 구조적인 특징이 동시에 나타날 수 있도록 나노선을 합성하는 것은 현재까지 어려운 기술적 난제로 남아있었다.

연구팀은 플라토-레일리 불안정 원리를 반도체 물질의 결정성장 과정에 적용해 반도체 나노선의 축 방향으로 주기적으로 두께가 바뀌는 껍질 구조를 합성해 나노선의 두께를 자유롭게 조절하는데 성공했다고 밝혔다.



플래토-레일리 불안정 원리는 18세기 플래토(Plateau)와 레일리(Rayleigh)에 의해 발견된 원리로 표면 장력에 의해 얇은 1차원적 물기둥이 점차 갈라져 여러 개의 작은 0차원 물방울들로 변하는 자연 현상을 일컫는다. 본 연구에서는 플라토-레일리 불안정 원리를 적용해 이러한 성장 방식을 ‘플라토-레일리 결정성장’이라 명명했다.

연구팀은 껍질을 성장시킬 때 낮은 압력에서 가스를 주입하면 표면 에너지가 감소해 나노선의 축 방향으로 주기적인 껍질 구조가 형성됨을 발견했다. 또 합성 조건에 따라 껍질의 종류뿐만 아니라 두께와 주기, 단면의 모양까지도 원하는 대로 조절할 수 있음을 확인했다.

연구를 주도한 박홍규 교수는“이번 연구는 나노선 합성이라는 새로운 연구분야를 개척한 의미 있는 연구 성과”라며, “주기적인 껍질을 갖는 나노선만이 가질 수 있는 독특한 광학 흡수 특성을 이용해 원하는 빛만을 선택적으로 흡수할 수 있는 새로운 나노 광소자를 개발할 수 있어 파급효과가 매우 클 것으로 기대된다”고 밝혔다.

고려대 박홍규 교수와 미국 하버드대 찰스 리버(Charles Lieber) 교수(공동 교신저자)가 주도하고 고려대 노유신 박사후연구원과 경희대 김선경 교수가 참여한 이번 연구는 세계적인 과학저널 네이처의 자매지이자 나노분야 최고 권위지인 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)에 최근 게재됐다.

연구진은 “실용화를 위해선 반도체 나노선에 선택적으로 도핑을 할 수 있는 기술 개발이 필요하다. 도핑과 같은 추가로 해결해야 하는 문제가 있기에 1~2년 정도의 시간이 소요될 것”이라고 밝혔다. 이어 “물줄기가 작은 물방울들로 변하는 현상을 나노선의 합성에 이용할 수 있을까 하는 생각으로 연구를 시작했다”며 “신기술은 빛을 선택적으로 흡수할 수 있는 나노 광소자나 나노광검출기 개발에 사용될 수 있게 될 것”이라고 말했다.