전세계가 수십년간 연구만 하던 인화갈륨 반도체화합물 드디어 "발광"

차세대 반도체 화합물로 주목받는 인화갈륨(GaP)을 발광 소재로 사용할 수 있는 길이 열렸다. 인화갈륨은 고효율 발광 소재이지만, 효율이 떨어지는 단점으로 활용이 어려웠다. 전세계 과학기술자들이 효수십년간 연구만 하던 분야다. 한국연구재단은 KAIST 정연식 교수, KIST 김동훈 박사, 동국대 최민재 교수로 구성된 공동연구팀(제1저자 신홍주 박사, 홍두선 박사)이 황화아연(ZnS)을 핵으로 사용해 극도로 얇은 인화갈륨을 형성하는데 성공했다고 21일 밝혔다. 정연식 교수는 "인화갈륨은 전자가 간접 경로로 에너지 레벨을 바꾸는 밴드갭 구조로 인해 발광 소재로는 활용도가 낮았다"며 "수십년 간 아무도 못하던 연구결과"라고 설명했다. 정 교수는 "직접전이밴드갭을 구현하기 위해서는 1나노미터 미만의 밴드갭을 만들어야 하는데, 이를 만들지 못해 실험적 증명 조차도 어려웠다"고 부연 설명했다. 연구팀은 일반적인 초미세 반도체 입자(퀀텀닷)와는 다른 접근법인 퀀텀셀(얇은 껍질)로 인화갈륨 직접 전이 밴드갭 전환을 구현하는데 성공했다. 반도체 분야에서 사용되는 원자층증착법과 에피텍셜 성장의 원리를 콜로이달 합성에 접목하는 방법으로 화화아연 나노결정 위에 단일원자층 갭을 성장시켜 퀀텀셸을 만들어냈다. 에피텍셜은 기존 물질 표면에 원하는 물질을 성장시키는 방법이다. 정 교수는 "연구결과 45.4%의 높은 효율로 보라색 빛을 강하게 방출하는 특성을 확인했다"며 "별도의 보호층 없이도 200일 이상 발광 효율 감소 없이 우수한 성능이 유지되는 높은 안정성을 보였다"고 말했다. 정 교수는 또 "차세대 화합물 반도체 분야 및 광전자, 광학 분야에서 많은 응용이 가능할 것"으로 기대했다. 연구결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'(9월16일)에 게재됐다.