반도체에 흔히 사용하는 나노선(nanowire)의 성장 메카니즘을 국내 연구진이 세계 최초로 구명했다.
오상호 포스텍 교수(신소재공학과)는 사파이어 나노선의 `VLS(Vapor-Liquid-Solid) 성장 현상`을 실시간으로 관찰하는 데 성공했으며, 이 연구를 바탕으로 나노선이 기존 학계의 예측과는 전혀 다른 방식으로 성장한다는 내용의 논문을 세계적인 과학저널 `사이언스(Science)` 21일자(현지시각)에 게재했다.
트랜지스터, 메모리, 화학감지용 센서 등 다양한 분야에 활용되는 나노선은 그 제조 및 응용기술이 활발하게 연구되는 것과는 달리, 원자들이 나노선으로 성장하는 메커니즘에 대해서는 여러 실험적 제약으로 지금까지 명확하게 밝혀진 바가 없었다.
오 교수는 원자들의 이동 경로를 나노선 성장조건에서 직접 관찰하기 위해 투과전자현미경 안에서 실제로 실험을 진행하는 `직접 관찰 투과전자현미경` 실험법을 사용했다. 이를 통해 사파이어 나노선을 투과전자현미경 안에서 VLS 방식으로 성장시키고, 이 과정을 원자 분해능으로 관찰했다.
그간 나노선 성장 메커니즘은 원료가 나노미터(㎚) 크기의 액상촉매에 선택적으로 용해되고, 이로 인해 과포화 상태가 된 원료가 액상 밑으로 한 층씩 고체로 결정화되는 것으로 알려져 왔다.
그러나 원자 분해능으로 나노선의 성장을 직접 관찰한 결과, 액체 전체에서 고체가 결정화되는 것이 아니라 기체와 액체, 고체가 만나는 삼중점(Triple Junction)에서 성장과 용해 반응이 반복된다는 것을 밝혔다. 이 과정에서 성장 중인 사파이어 나노선에 산소가 한 층 한 층 순차적으로 공급되며 결정화되는 현상이 관찰됐다.
이 반응은 수 나노미터 영역에서 단 1초 주기로 이루어지기 때문에 원자 분해능으로 실시간(초당 25프레임) 관찰하지 않는 이상 발견할 수 없으며, 지금까지 이론적으로도 예상하지 못한 전혀 새로운 성장 경로다.
오상호 교수는 “부분적으로 성장과 용해를 반복하는 반응을 거쳐 산소가 나노선의 성장 결정면으로 공급된다는 것은 성장에 필요한 에너지의 불필요한 소비를 최소화한다는 의미로 원자가 스스로 똑똑한(smart) 방법을 선택한다는 것을 알 수 있다”며 “이번 연구는 사파이어 나노선을 이용했다는 한계가 있으나, 반도체에 흔히 사용되는 실리콘 나노선 등의 성장 메커니즘 구명에 단초를 제공했다고 볼 수 있다”고 설명했다.
이 연구는 차세대 반도체 제작과 탁월한 감지 능력을 발휘할 수 있는 센서 등을 나노미터 수준으로 제작해 디바이스 성능을 극대화할 수 있는 실마리를 마련한 것으로 평가된다.
이 논문은 오 교수가 지난 2005년 10월 `사이언스`에 발표한 `사파이어 표면에서의 액체 알루미늄의 규칙성`의 후속 논문으로, 이처럼 한 연구의 연속 논문이 연이어 게재되는 것은 매우 이례적인 것으로 평가되고 있다.
포항=정재훈기자 jhoon@etnews.co.kr
