[로이슈 전여송 기자]
중요한 반도체 소재이지만 발광 효율이 떨어져 활용이 힘들었던 인화갈륨(GaP)을 LED(발광다이오드), 디스플레이 반도체에 사용할 수 있는 길이 열렸다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 KAIST 정연식 교수, KIST 김동훈 박사, 동국대 최민재 교수로 구성된 공동연구팀(제1저자 신홍주 박사, 홍두선 박사)이 황화아연(ZnS)을 핵으로 사용해 극도로 얇은 인화갈륨(GaP)을 형성함으로써 기존 기술로는 어려웠던 GaP의 직접 전이 밴드갭(band gap)을 구현했다고 21일 밝혔다.

황화아연이란 반도체 화합물 소재로 기계적 강도가 높아 열악한 환경에서 작동해야 하는 광학부품 등에 사용한다. 인화갈륨이란 대표적인 3-5족 반도체로 우수한 광학적‧전자적 특성을 가지고 있어 차세대 화합물 반도체 분야에 잠재력이 높은 재료다.

직접 전이 밴드갭은 반도체에서는 양자화되어 있는 에너지 밴드(띠)가 있고 밴드와 밴드 사이에 에너지 장벽(전자가 이동하기 힘든 금지대역)이 존재한다. 전자가 이 구역을 넘어 이동하기 위해서는 충분한 에너지가 필요해 밴드갭의 크기에 따라 에너지량이 달라지고 물질의 전자적 성질이 결정된다 반도체는 이런 밴드갭의 특성에 따라 직접 전이, 간접 전이 유형으로 분류되는데 직접 전이에서는 전자가 밴드에서 밴드로 이동할 때 에너지를 보존할 수 있어서 광학 장치, LED에 적합하다. 간접 전이 유형에서는 전자 이동 시 에너지를 보존하기 위해 포논(격자의 진동)의 도움이 필요해 에너지 효율이 떨어지기 때문에 광학 분야 보다는 전자 장치에 더 자주 사용된다.

인화갈륨(GaP)은 차세대 화합물 반도체 분야와 고효율 발광 소재로 잠재력이 높은 소재다. 하지만 전자가 간접적인 경로를 통해 에너지 레벨을 바꾸는 간접 전이 밴드갭 구조로 인해 발광 소재로는 활용도가 낮았다.

GaP 나노입자를 합성해 직접 전이 밴드갭을 구현하려는 연구가 수십 년간 있었지만 발광 효율이 낮고, 1나노미터(nm) 미만의 매우 작은 크기가 요구돼 실험적 증명도 어려웠다.

공동연구팀은 일반적인 초미세 반도체 입자(퀀텀닷)와는 다른 접근을 통해 인화갈륨(GaP)의 직접 전이 밴드갭 전환을 구현해 냈다.

먼저 GaP와 결정 구조와 크기가 거의 동일하면서 GaP에 의한 발광을 방해하지 않을 물질로 황화아연(ZnS)을 선정했다. 특히 퀀텀닷과 다른 에너지 구조를 갖는 퀀텀셸(얇은 껍질) 형태로 매우 얇은 GaP 반도체 입자를 합성했다.

이 합성 방식은 반도체 분야에서 사용되는 원자층증착법과 에피텍셜 성장의 원리를 콜로이달 합성에 접목, ZnS 나노결정 위에 단일원자층 GaP를 성장시켜 퀀텀셸을 만들어냈다.

이를 통해 GaP의 직접 밴드갭으로의 전환이 가능해졌고, 그 결과 45.4%의 높은 효율로 보라색 빛을 강하게 방출하는 특성을 확인했다. 뿐만 아니라 별도의 보호층 없이도 200일 이상 발광 효율의 감소 없이 우수한 성능이 유지되는 높은 안정성을 보였다.

원자층증착법(ALD)이란 박막 증착 방법 중 하나로, 전구체의 시간적 또는 공간적 분리를 통해 박막 두께를 조절할 수 있다. 에피택셜 성장(Epitaxial growth)은 기존 물질의 결정성을 반영해 기존 물질의 표면에 원하는 물질을 성장시키는 방법이다. 콜로이달 합성은 화학적 방식으로 콜로이드를 만드는 것을 뜻한다.

정연식 교수는 “본 연구는 이종 소재 간의 상호작용을 통한 발광소재 합성의 새로운 전략을 제시하는 것”이라며 “차세대 화합물 반도체 분야 및 광전자, 광학 분야에서 많은 응용이 가능할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노 및 소재기술개발사업 지원으로 수행된 이번 연구는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 9월 16일 게재됐다.

전여송 로이슈(lawissue) 기자 arrive71@lawissue.co.kr