DGIST 양지웅 교수, 원자 단위 움직임 포착… 반도체 활용 신기술 개발

DGIST 양지웅·서울대 박정원 공동연구팀

2D 반도체 나노입자의 상전이 과정 관찰과 메커니즘 규명

DGIST 에너지공학과 양지웅 교수(좌부터), 마현종 석박통합과정생, 서울대학교 화학생물공학부 박정원 교수, 김동준 박사과정생이다. [사진=대구시]

DGIST 에너지공학과 양지웅 교수팀이 ‘실시간 투과전자현미경 분석법 등을 이용하여 반도체 양자 나노 결정의 상전이 메커니즘을’을 규명했다. 서울대학교 화학생물공학부 박정원 교수와 공동연구를 통해 상전이 과정에서 일어나는 다양한 반응경로를 원자 수준에서 밝혀내면서, 온도 및 조성으로 제어하는 방안을 제시했다.
 
연구팀은 이번에 개발한 기술이 상용화될 경우 메모리 디바이스, 센서 등의 분야에서 디바이스 효율이 향상될 것으로 기대하고 있다. 본 연구는 삼성미래기술육성센터 사업을 통해 수행했으며, 관련 연구 결과는 재료과학 분야 저명 국제학술지인 ‘Advanced Science’에 3월 게재됐다.
 
이번 구조 물질의 고유 성질을 제어할 수 있는 상전이를 통한 결정상 제어는 메모리 디바이스, 센서, LED와 같은 미세 반도체 구조가 중요한 분야에서 활용하기 좋은 방법이다.
 
새로운 합성법을 통해 원하는 성질을 갖는 물질을 만드는 방법보다 잘 알려진 합성법으로 물질을 만든 후 상전이를 통해 물질의 성질을 필요에 따라 제어하여 활용하는 것이 효율적이기에, 최근에는 상전이를 이용하여 반도체 나노결정의 성질을 바꾸는 기술이 활발하게 연구되고 있다.

 
나노입자의 상전이 메커니즘은 X선 회절 분석법, 분광분석법 등의 앙상블에 대한 평균적인 정보를 활용한 연구가 대부분이다. 하지만 상전이를 정확하게 제어하고 활용하기 위해서는 원자 단위의 메커니즘을 정확하게 이해할 수 있어야 하는데, 기존 연구 방법으로는 반도체 나노입자가 상전이 중 발생하는 원자 수준의 변화와 그에 따른 여러 반응경로를 밝히기 어려웠다.
 
이에 DGIST 양지웅 교수팀과 서울대학교 박정원 교수팀은 공동연구를 통해 ‘실시간 투과 전자현미경 분석법(In-situ transmission electron microscopy, In-situ TEM)’과 ‘밀도 범함수 이론(Density functional theory, DFT) 계산 방법’을 이용하여 새로운 상전이 메커니즘을 개발했다. 이를 이용하여 양자점 나노결정의 대표 물질인 카드뮴 셀레나이드(CdSe)의 상전이 메커니즘을 원자 수준에서 규명하고, 반응과정에서 일어나는 중간체의 형성 및 원자 배열의 변화를 정밀하게 밝혔다.
 
특히 전자빔을 이용하여 높은 공간해상도에서 선택적으로 상전이를 유도할 수 있다는 가능성을 제시했으며, 나아가 온도와 조성, 상전이의 상관관계를 밝혀 이전의 방법보다 더욱 정밀하게 상전이를 제어할 수 있음을 확인했다. 또한 상전이 과정에서 고체상임에도 도메인의 융합·분리와 같은 원자들의 역동적인 움직임을 포착하기도 하였다.
 
DGIST 양지웅 교수는 “반도체 양자 나노결정의 상전이 과정을 원자 수준에서 관찰하면서 다양한 반응과정과 그 중간물을 확인하고, 온도와 조성, 상전이 간의 상관관계를 통해 양자 나노결정의 결정상 제어법을 밝혀낼 수 있었다”라고 밝혔다.
 
서울대학교 박정원 교수는 “본 연구를 통해 반도체 나노 물질의 외부 자극에 의한 구조 변화 과정을 정밀하게 규명할 수 있었는데, 향후 반도체 물질의 구조제어를 활용하여 다양한 디바이스에 응용되기를 기대한다”라고 말했다.