반도체, 디스플레이, 에너지 소자 등 다양한 전자소자의 소형화, 첨단화 및 고집적화에 대한 요구가 커지면서 나노미터 크기의 전자재료에 대한 관심이 커지고 있다. 나노미터 크기로 작아질 때 전자재료나 소자의 물리적, 화학적 성질이 어떻게 변하는지 연구하는 것은 매우 중요하다.

나노 기술은 큰 재료를 나노미터 크기로 제작하는 탑다운 방식과 원자 상태에서 시작해 원하는 크기로 성장시키는 바텀업 방식으로 나뉜다. 현재까지는 포토리소그래피 기술 등에 기반을 둔 탑다운 방식이 조명을 받고 있지만 빛을 이용하는 기존 포토리소그래피 기술은 한계를 보이고 있다.

때문에 바텀업 방식의 제조방법에 대한 연구가 활발해지고 있다. 바텀업 방식에서 관건은 높은 결정성을 띠는 균일한 나노 재료를 대량으로 생산하는 것이다. 전자재료가 작아짐에 따라 벌크 상태일 때와는 현저히 특성이 달라진다. 예를 들어 CdSe((카드뮴셀레나이드) 등은 작아질수록 밴드 갭 에너지가 증가해 입자의 크기를 제어하면 적색이나 청색 등의 형광 빛을 발광하는 양자점(quantum dot)으로 합성할 수 있다.

금이나 은 나노입자의 ‘표면 플라즈몬 공명’이라는 성질을 이용해 메모리, 센서 등 다양한 전기적 소자로 응용하기 위한 연구도 활발하다. 이처럼 다양한 나노입자를 실제 전자재료로 응용하기 위해서는 입자의 크기효과에 대한 철저한 이해가 필요하다.

전자소자의 발전은 기존 소재를 개선하거나 혹은 혁신적인 재료를 만들어냄으로써 가능하다. 가까이 LED를 예로 들어보자. 최근에는 반도체 재료 내에서 생성된 엑시톤(exciton)에 의해 빛을 발광하는 LED 소자가 각광받고 있다. 시판되는 LED 소자는 대부분 단결정의 3~5족 화합물 반도체를 이용하며 경량화 및 유연성을 위해서는 유기재료가 이용된다. CdSe, ZnS(황화아연) 등 반도체 화합물 재료를 나노 크기의 결정인 양자점으로 합성해 발광층으로 이용하는 양자점 LED(QLED) 연구도 활발하다. 양자점은 발광 효율이 매우 높고 입자 크기를 조절함으로써 적색이나 청색의 형광을 낼 수 있기 때문이다.

미래의 전자재료 분야는 이처럼 기존 탑다운 방식에서 나타나는 문제점을 바텀업 방식으로 해결하기 위한 방향으로 진행될 것이다. 따라서 우수한 전자소재를 대량으로 합성할 수 있어야 하고, 또한 합성된 재료의 물리적 현상에 대한 이해와 분석이 필요하다. 화학이나 물리 같은 기초과학 연구에 몰두하는 것은 시간과 비용이 들기 때문에 이윤을 목적으로 하는 기업에서 독자적으로 실행해 나가기는 쉽지 않을 것이다.

그러나 앞으로 전자소재 및 소자 산업은 결국 기초연구뿐만 아니라 실제 응용을 위한 공학적인 접근이 하나가 되는 융합 및 연계를 통해 발전할 것이라 생각한다. 즉 전자소재를 연구하고 제작하는 기업, 이러한 소재를 이용해 최종 전자소자를 제조하는 기업, 그리고 화학, 물리 등의 기초학문을 연구하는 대학 및 연구소 등 다양한 연구 집단 간의 상호적인 연계, 소통 및 정보 공유를 통해 소재 산업뿐만 아니라 전자 산업 분야가 앞으로 계속 발전해 나갈 수 있을 것이라 생각한다.

김영훈 고려대 화공생명공학과 박사후연구원
고려대에서 박사학위를 받고 같은 대학에서 박사후연구원으로 재직 중이다. 현재 나노입자를 기반으로 하는 박막의 제작 및 전기적 소자로의 응용에 대한 연구를 진행하고 있다.