[이데일리 김현아 기자] 국내 연구진이 원자 몇 층 두께에 불과한 2차원 반도체를 기판 위에 직접 성장시켜 LED 소자를 만드는 데 세계 최초로 성공했다.

그동안 차세대 반도체 상용화의 걸림돌로 꼽혔던 ‘떼어내 옮겨 붙이는(전사)’ 공정을 없앤 기술로, 차세대 디스플레이와 양자 정보통신용 광원 소자의 대량 생산 가능성을 열었다는 평가다.

울산과학기술원(UNIST) 물리학과 정건욱 교수 연구팀은 26일 2차원 반도체 소재인 이황화몰리브덴(MoS₂)을 발광층으로 활용한 고품질 LED 소자를 전사 과정 없이 한 번에 제조하는 공정 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구는 나노 분야 국제 학술지 ‘나노레터스(Nano Letters)’ 부표지 논문으로 선정됐다.

기존 2차원 반도체 LED는 박막을 따로 만든 뒤 기판에 스티커처럼 떼어 붙이는 전사 공정에 의존해 왔다. 하지만 이 과정에서 주름, 기포, 오염, 결함이 발생하기 쉬워 균일한 대량 생산이 사실상 어려웠다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 에피택시(Epitaxy) 성장 기법을 적용했다. 물질의 결정 방향을 맞춰 기판 위에 순차적으로 직접 성장시키는 방식이다.

연구팀은 p형 질화갈륨(GaN), 2차원 이황화몰리브덴(MoS₂), n형 산화아연(ZnO)을 차례로 적층해, 결함 없는 단결정 구조의 LED를 구현했다. 특히 열에 약한 2차원 반도체 특성을 고려해 고온 공정이 필요한 질화갈륨을 먼저 형성한 뒤 나머지 소재를 순차 성장시키는 공정 설계가 핵심이었다.

이 구조는 LED의 발광 효율을 높이는 ‘양자우물(Quantum Well)’ 구조로도 작동했다. 밴드갭이 큰 3차원 반도체 사이에 밴드갭이 작은 2차원 반도체를 끼워 넣어, 전자와 정공이 가운데 발광층에 집중되도록 한 것이다. 실제 실험에서 연구팀은 이황화몰리브덴 층에서 선명한 붉은빛이 방출되는 것을 확인했으며, 스펙트럼 분석에서는 630nm와 705nm의 두 가지 양자 발광 신호도 포착됐다.

연구팀은 이 신호가 반도체 내부의 ‘스핀-궤도 결합’ 현상에서 비롯된 것으로 보고 있다. 이는 단순한 LED 광원을 넘어 양자 정보통신, 보안 시스템, 양자컴퓨터 등에 활용될 수 있는 ‘양자광원 소자’로서의 가능성을 보여준 결과라는 설명이다.

정건욱 UNIST 교수는 “2차원 반도체 LED가 연구실 수준에 머물렀던 이유는 전사 과정에서 발생하는 품질 저하와 불균일성 때문이었다”며 “이번 연구는 기존 반도체 공정처럼 균일한 적층 구조를 대량 생산 라인에서 구현할 수 있음을 입증한 첫 사례”라고 말했다.

이어 “광 효율을 더 높여 기존 GaN(질화칼륨)기반 마이크로 LED 공정과 결합하면 차세대 초소형 적색 화소나 양자광원 산업의 핵심 기술이 될 수 있다”고 덧붙였다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단과 산업통상자원부 한국산업기술진흥원 지원을 받아 수행됐다.