나노막대 표면을 감싸고 있는 리간드 층 밀도에 따른 자기조립구조 모식도와 전자현미경 이미지(KAIST 제공)© 뉴스1

KAIST(총장 신성철)는 생명화학공학과 이도창·김신현 교수 연구팀이 반도체 나노막대로 수 나노미터(nm, 1nm는 10억 분의 1m) 두께의 편광필름을 개발했다고 20일 밝혔다.반도체 나노막대는 막대의 긴 방향을 따라 편광 빛을 내는 독특한 광학 특성이 있어 디스플레이 분야에서 막대한 빛 손실을 가져왔던 기존 편광판을 대체할 수 있는 유망한 나노소재로 주목받고 있다.

단일 나노막대의 편광 특성을 소자 면적의 필름에서 구현하기 위해서는 구성하는 모든 나노막대가 한 방향으로 정렬된 뗏목 형태인 스멕틱(smectic) 자기조립 구조가 필요하다.

그러나 수십 나노미터의 길이와 수 나노미터 두께의 나노막대를 대면적에서 정렬하기 위해서는 전기장을 유도하는 전극 기판 혹은 한정된 공간에서 입자를 조립할 수 있는 패터닝 된 기판을 필요로 해 실제 소자에 적용하기에는 한계가 있다.

이렇게 조립된 나노막대 필름은 두께가 균일하지 않고 두꺼워 균일한 초박막 층을 사용해야 하는 필름 소자에는 적합하지 않았다.연구팀은 이러한 문제 해결을 위해 공기-용액 계면과 나노막대 간의 인력, 나노막대와 나노막대 간의 인력을 순차적으로 유도해 단일층 두께의 나노막대 스멕틱 필름을 제작했다.

연구팀의 고배향 필름 제작 기술은 기판으로 사용된 공기-용액 계면을 용액 증발과 함께 제거할 수 있고, 조립 면적에 제한이 없어 소자 종류에 상관없이 적용할 수 있다.

연구팀은 길이 30나노미터, 지름 5나노미터의 나노막대들이 수십 마이크로 제곱 면적에 걸쳐 88%의 정렬도로 초박막 필름을 형성함을 확인했다.

그러면서 계면과 나노막대, 나노막대와 나노막대 간 상호작용력을 정량적으로 계산 및 비교함으로써 나노막대가 계면에서 조립되는 원리를 밝혔고, 계면에서 얻을 수 있는 다양한 형태의 자기조립구조를 증명했다.

연구팀이 개발한 반도체 나노막대의 스멕틱 필름은 편광 발광층으로 디스플레이 분야에 활발히 적용돼 소자 두께의 최소화, 비용 절감, 성능 강화 등에 이바지할 수 있을 것으로 보인다.

KAIST 이도창 교수(왼쪽), 김신현 교수(가운데), 김다흰 연구원(1저자)© 뉴스1

1저자인 김다흰 연구원은 “입자의 상호작용력 조절을 통해 단일층 두께에서 나노막대 스스로가 방향성을 통제하며 고배열로 정렬할 수 있다는 것을 증명했다”며 “이는 외부 힘없이도 더욱 정교한 자기조립구조가 가능하다는 것을 보여주는 결과로, 향후 고배열, 고배향을 갖는 다양한 나노입자의 초박막 필름 제작 및 필름 소자에 활발히 사용될 것이다”고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 나노․소재원천기술개발사업의 지원으로 수행됐다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano letters)’에 지난달 실렸다.


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