▲ 실리콘 나노시트를 이용해 만든 백색발광 광소자(上)와 실리콘 나노시트의 두께를 조절해 얻은 빛의 삼원색(中), 그리고 실리콘 나노시트의 성장과정(下, 처음에는 마치 눈송이처럼 가지 사이가 성긴 육각가지 구조로 자라나지만(左) 가지 사이가 점차 메워지면서(中) 최종적으로 나노시트가 된다(右)).

적색, 녹색, 청색 등 삼원색의 빛을 낼 수 있는 실리콘 나노시트(nanosheet)가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

연세대 신소재공학부 최헌진 교수, 포항공대 신소재공학과 조문호 교수, 한국과학기술연구원 최원국 박사팀은 추운 날씨에 눈결정이 자라나는 모양을 체계적으로 모사, 실리콘을 1㎚(나노미터) 두께의 얇은 시트 형태로 만들어 발광특성을 높였다.

실리콘은 반도체로서 각종 소자에 응용될 수 있지만 빛을 발생시키기는 어려워 디스플레이나 조명, 센서 등에 쓰이는 광소자로 활용하기에는 한계가 있었다.

또한 실리콘에서 빛을 보다 쉽게 추출하고자 실리콘을 직경 1㎚의 아주 작은 입자(양자점)로 만들기도 하나 실리콘에서 나오는 빛의 파장범위가 좁고 발광효율이 낮다는 것이 단점이었다.

연구진은 모든 방향으로 특성이 동일해 판상형태로 만들기 어려운 실리콘을 눈결정이 점점 커져 눈송이가 되듯 가지를 뻗고 그 가지 사이를 메우면서 커지는 방식의 시트구조로 실리콘 결정을 성장시켰다.

이번에 개발된 기술은 실리콘 시트의 두께를 달리하면 발광하는 빛의 색깔을 조절할 수 있고 이들을 조합해 백색광도 만들 수 있다. 더불어 넓은 면적 때문에 광소자 제작과정에서 취급이 용이하다는 것도 장점이다.

이번 개발은 기존 광소자에 사용되는 값비싼 화합물 반도체 대신 상대적으로 저렴한 실리콘을 광소자에 사용할 수 있는 실마리가 될 것으로 기대된다. 또한 발광특성이 향상된 시트 형태의 실리콘은 백색전구, 광센서, OLED 등에 쓰일 수 있는 광소자로 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

최 교수는 “실리콘의 형태를 달리하여 새로운 특성을 끌어낼 수 있음을 보여준 것으로 실리콘 기반의 광소자 개발의 가능성을 높일 것”이라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(도약) 등의 지원으로 수행됐으며 연구결과는 미국화학회가 발행하는 나노분야 국제학술지 ACS Nano지 5월23일자 온라인판에 게재되는 한편 영향력 있는 논문(perspectives paper)으로도 선정돼 7월호 프린트판에 게재될 예정이다.