▲ (左)박홍규 고려대학교 물리학과 교수, Plateau-Rayleigh 불안정 원리와 그 원리를 이용해 정 성장 방식을 나타내는 개념도, 주기적인 껍질을 갖는 실리콘 나노선에서 나노선의 두께에 따라 다양한 색깔의 빛이 흡수됨이 확인됐다..

한미 국제공동연구팀이 개발한 신기술이 향후 원하는 색의빛만 선별해 흡수하는 새로운 나노 광소자의 개발 가능성을 열었다.

미래창조과학부(장관 최양희)는 박홍규 고려대 교수와 찰스리버(Charles Lieber) 미국 하버드대(공동 교신저자)가 주도하고 노유신 고려대 박사후연구원과 김선경 경희대 교수가 속한 한미 국제공동연구팀이 반도체 나노선의 두께를 마음대로 조절할 수 있는 새로운 합성 기술을 개발했다고 지난 20일 밝혔다.

나노미터(십억분의1미터) 두께를 갖는 머리카락 모양의 반도체 나노선은 부피에 비해
표면적이 크고, 독특한 전기적·광학적 특성을 가지고 있어 나노레이저나 나노태양전지와 같은 차세대 나노 광소자에 활용된다.

향후 궁극적으로 특정 빛만을 민감하게 감지해 값싸고 간편한 광검출기 개발에 응용될 수 있다.

반도체 나노선의 전기적·광학적 특성은 나노선의 두께에 따라 크게 변해 나노선의 두께를 원하는 대로 정밀하게 조절하는 것은 매우 중요하다. 하지만 나노선 두께 조절과 하나의 나노선에서 다양한 물질과 구조적인 특지잉 동시에 일어나는 나노선 합성은 매우 어려웠다.

연구팀은 표면장력에 의해 얇은 1차원적 물기둥이 점차 갈라져 여러 개의 작은 0차원 물방울들로 변하는 자연현상인 ‘플라토-레일리 불안정 원리’를 반도체 물질의 결정성장 과정에 적용해, 반도체 나노선의 축 방향으로 주기적으로 두께가 바뀌는 껍질 구조를 합성해 나노선의 두께를 자유롭게 조절하는데 성공했다.

연구팀은 껍질을 성장시킬 때 낮은 압력에서 가스를 주입하면 표면 에너지가 감소해 나노선의 축 방향으로 주기적인 껍질 구조가 형성됨을 발견했다.

또한 합성 조건에 따라 껍질의 종류뿐만 아니라 두께와 주기, 단면의 모양까지도 원하는 대로 조절할 수 있음을 확인했다.

연구팀은 주기적인 껍질을 갖는 실리콘 나노선의 광학적 특성이 나노선 껍질의 두께와 주기에 따라 확연히 다른 광산란 및 광흡수 특성을 보인다는 사실을 밝혔다.

특히 껍질의 주기가 6마이크로미터(백만분의 1미터)인 실리콘 나노선의 경우, 껍질이 얇은 부분은 파란색 빛만을, 껍질이 두꺼운 부분은 초록색 빛만을 주로 흡수함을 알아냈다.

박홍규 교수는“이번 연구는 나노선 합성이라는 새로운 연구분야를 개척한 의미 있는 연구성과”라며, “주기적인 껍질을 갖는 나노선만이 가질 수 있는 독특한 광학 흡수 특성을 이용해 원하는 빛만을 선택적으로 흡수할 수 있는 새로운 나노 광소자를 개발할 수 있어 파급효과가 매우 클 것으로 기대 된다”고 밝혔다.

한편,이번 연구는 미래창조과학부에서 추진하는 리더연구자지원사업의 지원으로 수행되었고, 세계적인 과학저널 Nature의 자매지이자 나노분야 권위지인 Nature Nanotechnology 3월10일자에 게재되었다.

▲ 실리콘 나노선 혹은 게르마늄 나노선 위에 합성 조건에 따라 껍질의 두께와 주기 단면 모양이 다양하게 조절된 나노선 .