파란색 발광 와이드 밴드갭 실리콘 나노와...

5나노 이하 크기의 초극세 실리콘 나노와이어 촉매 없이 합성 성공

높은 에너지 대역을 나타내는 파란색 발광 와이드 밴드갭 특성도 보여

차세대 발광, 광흡수 소자 및 이차전지용 소재 핵심기술로 활용 기대

 

▲ 홍상현 박사, 서주연 노스이스턴대 박사과정생, 정영준 노스이스턴대 교수, 함명관 신소재공학과 교수.

 

본교 졸업생 연구팀과 함명관 신소재공학과 교수의 공동연구팀이 파란색 발광이 가능한 와이드 밴드갭(wide-bandgap) 고밀도 초극세 수직 배향 실리콘 나노와이어를 촉매 없이 합성하는 데 성공했다.

 

이번 연구는 본교 졸업생 연구팀 홍상현 박사(제1저자, LG전자연구소), 노스이스턴대학교(Northeastern University) 서주연 박사과정생, 정영준 교수(교신저자)가 함명관 신소재공학과 교수와 공동으로 진행했다. 연구결과는 나노 분야의 세계 최고 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 온라인판에 6월 20일 게재됐다.

 

연구진은 작은 직경의 실리콘 나노와이어를 촉매 금속 없이 합성하는 연구를 수행했다. 이렇게 개발된 초극세 실리콘 나노와이어는 기존 실리콘 소재와 다르게 와이드 밴드갭을 가지며 파란색 발광이 가능하다는 사실을 밝혀냈다. 또한 원자단위분석을 통해 기존 실리콘과 다른 격자상수를 가지고 있다는 사실도 알아냈다. 이번 연구를 통해 합성된 초극세 실리콘 나노와이어는 빛과 전자를 활용하는 태양광 에너지소자, 이미지센서, 광검출기 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.

 

실리콘은 지구상에서 두 번째로 많은 원소로 그 특성이 가장 많이 알려진 물질 중 하나이다. 이번 연구에서 합성된 초극세 실리콘 나노와이어는 5나노 이하 크기의 원자단위구조로 기존 실리콘과 전혀 다른 특성을 갖는 새로운 나노소재라고 할 수 있다. 또한 기존의 실리콘 나노와이어가 은나노구조를 이용한 식각 또는 금나노입자를 이용한 합성을 통해 제작되기 때문에 직경이 수십 나노에서 수백 나노로 매우 크며, 응용을 위해서는 금, 은 등의 금속 소재를 제거해야 하는 후공정이 필요한 단점을 극복할 수 있는 연구성과로 평가된다.

 

정영준 미국 노스이스턴대학교 교수는 “실리콘 나노와이어는 기존 흑연 소재에 비해 10배의 에너지를 저장할 수 있는 특징이 있다”며, “특히 4.5 eV 와이드 밴드갭 반도체의 특성인 높은 에너지 대역의 파란색을 발광하는 성질을 바탕으로 차세대 광센서 및 이차전지의 개발을 앞당길 수 있는 연구성과로 기대된다”고 말했다.

 

함명관 신소재공학과 교수는 “이번 연구를 통해 개발된 초극세 실리콘 나노와이어는 일정한 두께와 방향을 가지면서도 안정성도 높아 쉽게 산화되지 않고 그 구조를 유지한다”며 “기존 나노물질이 산업에 응용되기 어려운 단점을 극복하고 차세대 발광소자의 개발에 큰 역할을 할 것으로 보인다”고 밝혔다.

 

세계 최초로 합성된 와이드 밴드갭 초극세 실리콘 나노와이어와 파란색 발광특성.

▲ 세계 최초로 합성된 와이드 밴드갭 초극세 실리콘 나노와이어와 파란색 발광특성.