조신흠 계명대학교 화학공학전공 교수<사진>와 오크리지 국립 연구소가 공동 연구로 빛과 상호 작용할 수 있는 초소형 반도체 나노큐브 정밀 조각 기술을 구현했다.
이번 연구성과는 Small 논문(IF: 13.28)이 Phys.org 과학 뉴스와 오크릿지 연구소 뉴스로 소개되며, 더 빠른 컴퓨터 칩과 민감도 높은 광학 소재를 향한 도약이라는 평가를 받고 있다.
조신흠 교수는 전자 현미경 빔으로 원자규모 초미세 구멍을 내 빛의 전자기장 신호를 제어하고 전달하는 패턴 구조를 조립해 냈다. 반도체 나노입자 자가조립구조를 전자 빔으로 조각을 한 초미세 구조 속에는 플라즈몬이라고 하는 전자의 집합적 진동으로 극소 공간에 구속된 강력한 전자파를 발현시켰다. 강력한 전자기파를 구속하는 나노 구조는 사람 머리카락보다 10만배 더 얇은 나노미터 또는 10억 분의 1미터의 초미세 규모다.
Small 저널에 실린 공동연구자 조신흠 교수는 “강력한 플라즈몬 전자파 구속 현상을 실현하기 위해 초미세 나노구조 공정 기술이 필요한데, 산업계는 극자외선 (EUV) 반도체 공정의 등장으로 4nm 이하 공정을 향해 도전하고 있다”며 “1nm 이하 구조는 난제로 남아있지만 이번 연구를 통해 대량 1nm 나노구조 틈(gap)을 실현하기 위해 나노입자 자가조립 기법을 활용, 초미세 공정을 확장해 전자 빔 조각 기법으로 미세 광회로 등 원하는 구조를 디자인할 수 있는 기술을 고안하게 됐다”고 연구 취지를 설명했다.
이번 연구로 활용된 나노입자는 반도체 재료 기반으로 에너지 조정 가능성의 핵심으로 빛과 전자 두 물리 세계의 장점을 모두 사용할 수 있는 기술이다. 나노 크기 큐브 시스템은 특정 위치에서 빛을 극도로 구속하고, 에너지를 조정 튜닝을 할 수 있게 해 준다. 전자빔으로 나노미터만큼 작은 3차원 구조를 조각하기 위한 이전 작업을 기반으로 플라즈몬 효과와 구조가 조각될 수 있음을 증명하고 있다. 주석과 불소로 도핑된 산화인듐으로, 금속처럼 행동하는 투명 반도체 소재로 만들어진 나노 큐브를 사용해 플라즈몬 나노회로에서 빛의 흐름을 지시할 수 있는 구조를 궁극적으로 대량 생산하는 데 필요한 기초적인 이해를 도울 것으로 보인다.
계명대 화학공학부는 반도체형 플라즈모닉 나노입자 합성 라인 확충으로, 반도체 소재, 에너지 소재, 센서 기술 국제 공동연구를 지속하고 있다. 과학자들은 재료, 구조 및 플라즈몬 특성 간의 관계 라이브러리를 만들 계획이다.
조신흠 교수는 KAIST 생명화학공학과, 화학과를 졸업한 후, 텍사스 오스틴 대학교에서 화학공학 박사 학위를 취득했다. 이후 삼성전자 반도체연구소 Flash TD 책임연구원으로 근무하다 2021년 계명대 화학공학과 교수로 임용돼 반도체 기술 연구를 펼치고 있다.
황보문옥 기자 |
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