지스트(광주과학기술원, 총장 김기선) 전기전자컴퓨터공학부 송영민 교수(사진) 연구팀이 고밀도의 불규칙하게 분포하는 반도체 나노선 다발의 광학적 현상을 규명했을 뿐만 아니라 최적의 나노선 다발 구조를 대면적으로 제작할 수 있는 방법을 제안했다.
   
반도체 소재 기반의 수직형 나노선 어레이는 우수한 기계적, 전기적, 광학적 특성을 기반으로 최근 차세대 전자소자의 핵심 소재로 주목받고 있다. 그러나 대부분의 나노선 어레이는 수십 내지 수백 나노미터(10억분의 1미터)의 아주 작은 크기의 구조를 가지고 있어 전자빔 리소그래피(Lithography) 공정 과정을 통해 제작되기 때문에 비용이 많이 들며 대면적 제작에 어려움이 있다.
   
또한 반도체 나노선 어레이는 거시세계에서 관찰 가능한 광 스펙트럼 현상을 기반으로 해 고효율의 태양전지, 이미지 센서, 레이저 등 소자로의 응용으로만 주로 연구가 진행돼 왔다. 

연구팀은 이제까지 주목받지 못했던 고밀도/불규칙적인 반도체 나노선 다발 내에서 일어나는 미시적인 광학적 현상을 3차원 파동방정식 기반의 해석 방법을 통해 규명했으며 이를 실험적으로 관찰했다. 
  
연구팀은 이러한 기존 연구의 한계를 극복하기 위해 리소그래피 공정 과정없이 실리콘 웨이퍼 전면에 고밀도의 매우 가느다란 갈륨비소(GaAs) 나노선 다발을 성장시켰다. 또한 성장된 나노선 다발을 투명한 폴리머인 PDMS 물질로 코팅한 뒤에 면도날로 긁어내는 방법을 이용해 실리콘 웨이퍼(반도체의 재료가 되는 얇은 원판)에서 고밀도의 나노선 다발을 분리했다. 

본 연구를 통해 제안된 방법은 값이 싼 실리콘 웨이퍼 위에 성장시킬 수 있고, 성장된 나노선 다발을 분리한 후에 웨이퍼를 다시 재활용 할 수 있어 경제적으로 매우 큰 장점이 있다. 
   
송 교수는 “기존 수직형 반도체 나노선 어레이의 한계인 전자빔 리소그래피 공정이 필요하다는 점과 기존에 조명되지 않았던 나노선 다발 내의 미시적인 광학적 현상을 규명했다는 데 이번 연구의 가장 큰 의의가 있다”면서 “특히 나노선 다발의 선택적 파장 흡수 특성은 물리적으로 복제 불가능한 보안 하드웨어로 사용될 수 있으며, 사람 눈보다 훨씬 해상도가 높은 인공 망막 소재로 사용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 

이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 미래소재디스커버리 사업과 기초연구실지원사업, 글로벌박사양성 사업의 지원으로 수행됐으며, 연구성과는 광학분야 국제학술지 어드밴스드 옵티컬 머티리얼즈(Advanced Optical Materials)에 6월 15일 자 온라인으로 게재됐다.

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