| 이종접합 2차원 반도체의 준입자 능동제어 가능| 고휘도 초박막 웨어러블 광전자소자 등의 개발 활용에 기대영화 <스파이더맨>의 슈트처럼 얇고 부드러우면서도 다양한 전기적‧광학적 기능을 갖춘 웨어러블 기기는 어떻게 만들 수 있을까? 이를 위해서는 기존 성능 한계를 훨씬 넘어서는 새로운 소재를 구현하는 것은 물론, 이 소재의 물리적 특성을 정밀하게 제어하는 원천기술을 확보해야 한다.전이금속칼코겐화합물(이하 TMD)을 그래핀처럼 단일층으로 분리하면, 고성능 반도체특성을 갖춘 2차원 박막물질로 바뀐다. 특히 서로 다른 TMD 두 층을 쌓을 때, TMD 종류와 적층 방식을 달리하면 저마다 다양한 특성을 발현시킬 수 있다. 그런 이유로 이종접합 2차원 반도체는 미래 전자산업의 차세대 핵심 소재로 전세계 산업계와 학계에서 주목을 받고 있지만 이 물질 내 준입자의 물리적 특성을 정밀하게 제어하기 어려워 상용화에 어려움을 겪고 있다.POSTECH(포항공과대학교) 물리학과 박경덕 교수, 통합과정 구연정 ‧ 이형우 씨와 러시아 ITMO대 바실리 크랍초프(Vasily Kravtsov) 교수 공동 연구팀은 2차원 물질의 준입자를 좁은 공간에서 능동적으로 제어할 수 있는 다기능 탐침증강 나노현미경을 개발했다. 이를 이용해 TMD 이종접합물질에서 새롭게 발현하는 층간엑시톤*1과 층간트라이온*2 등의 반도체입자를 약 20nm 수준에서 제어하는데 성공했다.이종접합물질의 층간엑시톤은 일반적인 엑시톤과 같이 반도체 특성의 광발광 현상을 일으킨다. 전기적으로 중성인 준입자 상태에서 빛과 물질 간 전환이 자유로워 발열이 적은 차세대 반도체 소자로 응용할 수 있는 것은 물론, 기존 엑시톤에 비해 결맞음시간(coherence time)이 매우 길어 양자정보통신 광원으로도 활용될 수 있다. 하지만, 층간엑시톤은 상온에서 발광효율이 매우 낮고 발광에너지의 변조가 어렵다는 과제를 안고 있다.선행연구에서 엑시톤 나노공간제어 원천기술을 제시한 바 있는 박경덕 교수팀은, 기가파스칼(GPa) 수준 압력과 근접장 세기로 조절가능한 다기능 탐침증강 나노현미경을 개발했다.이 현미경은 층간엑시톤의 발광효율을 약 9,000배 증가시키고 발광에너지(빛의 색깔)의 능동적인 변조를 가능하게 했다. 여기에 탐침기반 핫 전자(hot electron)*3 주입 기술을 더해 층간엑시톤과 층간트라이온 사이의 준입자 변환을 자유자재로 제어하는데 세계 최초로 성공할 수 있었다.이번 성과의 최대 장점은 상온 상압 조건에서 물성을 능동적으로 제어하는 것은 물론, 빛의 파장보다 훨씬 짧은 약 20nm의 공간분해능으로 반도체입자의 광학적 특성을 실시간으로 분석할 수 있다는 것이다.이 논문의 제1저자인 구연정 씨는 “이번에 개발한 나노현미경은 이종접합물질에서 새롭게 발현하는 물리적 현상을 층간엑시톤과 같은 반도체입자 개별 단위에서 규명할 수 있어, 앞으로 어떤 물리적 발견이 있을지가 더욱 기대된다”고 말했다.차세대 물질로 활발하게 연구가 이루어지고 있는 이종접합 2차원 반도체의 다양한 응용 가능성을 연 것으로 평가받는 이 결과는 계측장비 개발의 기초연구를 통해 이루어졌다는 점에서 더욱 학계의 주목을 모았다.또, 이 기술은 고휘도 초박막 웨어러블 광전자소자 등의 개발에 활용될 것으로 기대되며, 특히 미국과 일본, 중국 등에서 반도체 장비의 시장 선점을 위해 기술 장벽을 구축하고 있는 현시점에서는 더욱 의미가 있다.광학분야 국제학술지 ‘라이트: 과학과 응용(Light: Science & Applications)’에 최근 게재된 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 삼성미래기술육성재단의 지원으로 수행됐다.1. 층간엑시톤(interlayer exciton)이중층 절연체나 반도체 내에서 전자(電子)와 양공(陽孔)이 결합해 만든 준입자. 이중층 반도체 물질의 광발광 현상을 일으킨다.2. 층간트라이온(interlayer trion)층간엑시톤에 전자나 정공이 정전기력에 의해 더 붙은, 전하를 띠는 준입자. 반도체의 도핑 밀도에 영향을 받는다.3. 핫 전자(hot electron)분자의 흡착, 화학 촉매 반응, 빛의 흡수를 통해 외부 에너지가 금속 표면에 전달될 때 에너지가 100배 정도 높게 올라간 전자를 의미한다.