최근 나노과학기술 분야에서는 ‘깎아내기’(top-down) 방법인 기존의 덩어리 물질을 깎아내어 나노소재를 만드는 방법과는 달리, 일정한 조건에서 원자나 분자를 조직적으로 특정한 형태로 배열해서 원하는 기능을 발휘하는 나노소재를 제조하는 ‘쌓아가기’(bottom up) 방식이 각광을 받고 있다. 쌓아가기 방식은 원자나 분자의 화학적 또는 물리적인 성질을 이용해서 나노소재를 제조하는 방법으로, 최근 이 방법을 이용하여 나노튜브, 나노선, 나노막대, 나노결정 등 다양한 형태의 나노소재가 제조되었다. 하지만 기존의 나노선 제조법에서는 금속촉매로부터 반응소스가 고용된 후 석출과정을 거치면서 나노선이 형성되기 때문에 금속불순물이 반도체 나노선 내부로 침투해서 특성을 저하시키거나, 이종접합구조 제조시 계면에서 합금(alloy)을 형성하기도 한다. 이에 반하여, 최근 포항공대 연구팀이 개발한 유기금속화학기상증착법(metal-organic vaporphase epitaxy)을 이용한 비촉매 나노막대 제조법은 기존의 반도체 에피박막 성장과 유사하게 금속촉매 없이 원자나 분자 등의 입자가 나노막대 위에서 반응하는 방식으로 고품위 단결정 나노막대를 제조할 수 있으며, 이종구조 에피성장이 용이하다. 포항공대팀은 또한 그들이 개발한 독특한 나노막대의 장점을 이용해서, 수직 배향된 나노막대를 이용한 발광소자를 선보였다. 이 발광소자는 반도체 일차원 나노소재가 지니는 특이한 물리적 성질인 높은 주입전류를 이용한 것으로, 차세대 디스플레이 제조에 폭넓게 응용될 수 있다.
일차원 반도체 나노소재 － 나노막대/나노선
일차원 나노소재란 나노미터 크기의 직경을 가지며, 비교적 종횡비가 커서 수백 나노미터에서 수십 혹은 수백 마이크로미터이 길이를 가지는 나노소재이다. 나노결정 등의 영차원 나노소재와 비교해 볼 때 일차원 나노소재는 비교적 인위적인 조작이 용이하여 차세대 나노소자의 제조에 쓰일 핵심소재로서 각광을 받고 있다. 현재까지 이러한 일차원 나노소재는 나노선, 나노막대, 나노벨트, 나노튜브 등 다양한 형태로 만들 수 있음이 보고되었다. 특히 그 중 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 갈륨비소(GaAs), 갈륨질소(GaN), 산화아연(ZnO) 등의 반도체 물질로 이루어진 일차원 나노소재를 일차원 반도체 나노소재라 한다.
일차원 반도체 나노소재는 현재까지 집중적인 연구가 이루어진 대표적인 1차원 나노소재로서 탄소나노튜브와 비교할 때 몇가지 장점을 지닌다. 탄소나노튜브는 그 직경과 탄소원자 배열의 비틀림 정도에 따라 도체가 되기도 하고 반도체가 되기도 하여 반도체 전자소자 제조가 까다롭다. 반면 비교적 최근에 부각되기 시작한 일차원 반도체 나노소재의 경우는 불순물의 첨가에 의해 전기전도도와 밴드갭을 조절하기가 훨씬 용이할 뿐만 아니라, 빛을 내기 때문에 쌓아가기 방식을 이용한 차세대 저전력, 고효율의 나노 전자소자, 발광소자의 핵심소재로 응용될 가능성이 매우 높다. 특히 최근에 일차원 반도체 나노소재를 이용한 트랜지스터, 광검출소자, 바이오·환경 센서뿐만이 아니라, 피(p)-타입과 엔(n)-타입 나노선 및 나노막대를 이용한 발광다이오드, 논리회로 등의 고기능성 나노소자가 구현되기 시작하면서 실용화에 가장 근접해 있는 나노소재로 주목을 받고 있다.
반도체 나노막대 제조 방법
나노소재 응용에 있어서 일차원 나노소재의 장점을 이용하기 위해 전 세계적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며, 현재까지 Si, Ge, GaAs, InP, ZnO, GaN 등 다양한 반도체 나노선 및 나노막대가 제조되었다. 하지만, 기존에는 미리 도입된 금속 불순물 촉매로부터 반응소스가 고용된 후 석출되는 방식을 이용해서 나노선을 제조하다보니, 금속 불순물이 나노선 내부로 침투해 들어가서 나노선의 물리적 특성이 저하된다. 이에 반해, 최근 포항공대 이규철 교수팀은 반도체 박막 공정에서 널리 사용되는 유기금속화학기상증착법을 이용해서 수직 배향된 반도체 산화아연 나노막대를 대면적 기판 위에 제조하는 방법을 독창적으로 개발하였다. 특히, 이 방법은 산화물 단결정뿐만 아니라 비정질 산화물, 실리콘, 금속 등의 다양한 기판을 사용할 수 있어 다양한 소자로 응용이 가능하므로, 상업화에 매우 유리하다. 한편, 금속촉매를 이용하지 않기 때문에 불순물에 의한 오염을 최소화할 수 있으며, 인위적인 불순물 조절로 전기전도도 제어 및 밴드갭 조절이 매우 용이하다. 이 교수팀이 개발한 나노막대는 무엇보다 기재 위에 수직 배향되어 있어, 이를 이용하여 다양한 나노소자 어레이를 개발할 수 있을 것으로 기대된다.
이외에도 이 교수팀은 기존의 나노선 제조법으로 구현하기 힘든 다양한 나노막대 이종구조체도 제조하였다. 기존 반도체 나노선 제조법을 이용해서 나노선을 제조하면, 계면이 깨끗한 이종구조를 얻는 데 한계가 있다. 이는 금속촉매로부터 반응소스가 고용된 후 석출되는 과정을 거치므로, 이종구조 제조시 금속촉매 내에 두 가지 이상의 반응소스가 함께 고용되므로 계면에 반드시 합금(alloy)이 형성되기 때문이다. 이에 반하여, 이 교수팀이 개발한 나노막대 제조법은 금속촉매 없이 원자나 분자 등의 입자가 나노막대 위에서 반응하는 방식으로서 반도체 공정에 사용되는 유기금속화학증착법을 기본으로 한다. 특히, 원자 적층 방식이라는 제조공정의 특징으로 수 Å(백 억분의 1m) 두께의 산화마그네슘아연과 산화아연을 교대로 적층 성장하여 양자효과를 내는 양자구조 나노막대를 제조하였다.
반도체 나노막대 발광소자
지금까지 다양한 나노소재가 개발되었음에도 불구하고 실제 소자 응용 사례는 매우 제한적이었다. 또한 일부 세계 최첨단 연구진에 의해 발표된 나노전자소자와 나노광소자의 경우에서도, 소자 제조 공정이 복잡하고 소자의 특성, 안정성 및 신뢰도가 떨어져 상용화 가능성이 매우 희박하다. 하지만, 포항공대 연구팀은 그들이 개발한 독특한 나노막대의 장점을 이용해서, 다양한 나노소자를 제조하고 있다. 이러한 사례 중의 하나로, 최근 그들이 선보인 수직 배향된 나노막대를 이용한 발광소자를 꼽을 수 있다. 이 발광소자는 피(p)-형 갈륨질소 박막 위에 엔(n)-형 산화아연 반도체 나노막대를 수직으로 성장시킴으로써 제조되었으며, 4볼트(V)의 낮은 전압에서 빛을 방출하는 우수한 특성을 보인다. 이러한 반도체 나노막대 발광소자를 이용하면, 신개념 단파장 광소자 및 마이크로디스플레이 등 차세대 디스플레이 등을 제조할 수 있다.
이 교수팀은 나노막대를 이용한 나노전자소자로서 나노다이오드 어레이 제조에도 성공하였다. 이러한 나노다이오드 어레이는 반도체 나노막대 팁에 금속층을 얇게 성장하여 금속 나노 전극을 만들었으며, 이러한 이종구조 나노막대의 나노전극의 정류현상 및 오믹 전류-전압 특성을 제어함으로써 나노다이오드 어레이를 제조하였다. 한편 자성체 나노소재를 얇게 성장시킴으로써 자성금속·반도체 이종구조 나노막대를 제조하여, 자성체의 두께에 따라 자기적 성질이 변화하는 현상을 관측하였고, 이러한 연구로 인해 금속·반도체 나노막대를 자성메모리 소자 및 신개념 스핀트로닉 나노소자 개발에 한걸음 더 다가섰다.
포항공대 연구진이 개발한 비촉매 나노막대 성장법을 사용하면 다양한 구조의 일차원 나노소재를 제조할 수 있어, 저차원 양자구조에서 발생하는 새로운 물리적 현상을 연구할 수 있으며, 다양한 신기능성 나노소자를 개발할 수 있다. 특히, 나노막대 이종구조체를 이용해서 신개념 초소형 발광소자 개발이 가능하고, 이를 이용하면 차세대 디스플레이 소자를 개발할 수 있으리라 기대된다. 한편 다양한 양자구조 및 이종구조 나노막대를 이용하면 나노광소자, 나노전자소자 뿐만 아니라 생체 분자 개체를 탐지할 수 있는 나노바이오센서로 개발이 가능하리라 전망된다. 최근 포항공대 연구진은 반도체 나노막대 이종구조체를 이용한 나노바이오센서, 발광소자 및 전자소자 등 다양한 나노소자를 제조하는데 성공하였고 이러한 연구로 나노소재와 나노소자 분야에 획기적인 돌파구를 마련하였다.
이규철 | 포항공과대학교 교수(gcyi@postech.ac.kr) |