왼쪽부터 DGIST 이재동 교수, 김현민 책임연구원, 이관진 박사후연수연구원.(사진제공=DGIST)

[아시아뉴스통신=윤석원 기자] DGIST(총장 이건우) 화학물리학과 이재동 교수와 바이오메디컬연구부 김현민 책임연구원 연구팀이 연세대학교 전기전자공학부 안종현 교수 연구팀과 공동으로, 주름진 초박막 실리콘에서 빛의 반응이 달라지는 원리를 규명하고 미세한 변형을 손상 없이 읽어내는 새로운 분석 기반을 제시했다.

반도체 핵심 소재인 실리콘을 수십 나노미터(nm) 미만의 얇은 막으로 만들면 유연하게 구부러져 차세대 휘어지는 전자·광소자에 활용할 수 있다. 하지만 이 얇은 막에 미세한 주름이 생기면 위치마다 늘어나거나 압축되는 정도가 달라져 빛에 반응하는 특성이 매우 복잡해진다. 소자의 성능을 높이려면 이러한 국소적인 변형을 정확히 측정해야 하지만, 기존 방식으로는 한계가 있었다.

이에 연세대 연구팀은 정밀 공정 기술로 주름진 실리콘 나노막을 제작하고, DGIST 연구팀은 입사된 빛보다 진동수가 3배 높은 빛을 만들어내는 '3차 조화파 발생(THG) 현미경' 측정과 양자역학 기반의 '제일원리 계산'을 결합해 나노막의 광학 반응을 정밀하게 분석했다.
 

주름진 실리콘 나노막의 3차 조화파 실험 개념도(왼쪽), 측정 결과와 제일원리 계산 결과.(자료제공=DGIST)

연구팀은 파장 1040nm의 적외선을 쪼여 실리콘 내부 전자와의 공명 효과를 일으킴으로써 약 346nm의 강한 자외선 신호를 얻어냈다. 이 신호를 분석한 결과, 주름의 볼록한 봉우리와 오목한 골 부분의 변형 상태에 따라 빛의 진동 방향(편광)별 신호 세기 비율이 뚜렷하게 달라지는 것을 확인했다. 한 방향으로 가해진 변형이 실리콘 내부 전자구조의 대칭성을 바꾸기 때문인데, 이는 연구팀의 양자역학 이론 계산과도 정확히 일치했다.

나아가 연구팀은 나노막이 15nm 수준으로 극도로 얇아지면 소재 내부의 전자구조 변화뿐만 아니라, 주름진 입체 형상 자체가 주변의 빛 분포를 바꾸어 광학 신호에 큰 영향을 미친다는 사실도 밝혀냈다. 전자기장 시뮬레이션으로 주름 주변의 빛 분포까지 반영하자 실험 결과와 이론 계산이 완벽하게 들어맞았다. 빛으로 나노 구조의 변형을 정확히 측정하려면 소재 내부의 성질과 외형적 구조를 반드시 함께 고려해야 함을 입증한 것이다.


DGIST 화학물리학과 이재동 교수는 "이번 연구는 첨단 비선형 광학 현미경 기술과 양자역학 및 전자기장 계산을 유기적으로 결합해, 유연한 나노 반도체의 미세한 국소 변형을 정밀하게 이해하는 기반을 마련했다는 데 큰 의미가 있다"며 "향후 소재를 손상하지 않고 3차원 반도체 구조의 변형률을 정밀하게 진단하는 차세대 비파괴 검사 기술로 발전할 것으로 기대된다"고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자 지원사업, 한-인도 협력기반조성사업과 DGIST 기관고유사업의 지원을 받아 수행됐다. DGIST 바이오메디컬연구부 이관진 박사후연구원(DGIST 화학물리학과 박사)이 제1저자로, 이재동 교수와 김현민 책임연구원이 공동 교신저자로 참여했으며, 연구 결과는 나노과학 분야 세계적 학술지인 'Nano Letters'에 게재됐다.

seok193@daum.net