[충청뉴스 이성현 기자] 국내 연구진이 국산 라만분광 장비를 기반으로 물질의 구조 변화와 전기적 특성을 연속적으로 분석할 수 있는 융합 분석 장비를 개발했다.
연구진은 이를 활용해 반도체 소자의 새로운 구현 방식을 제시했다.
한국기초과학지원연구원(KBSI)은 전략장비개발연구단 홍웅기 박사 연구팀이 국내 라만장비 전문기업 ㈜위브와 기존 국산 라만분광 시스템에 주사형 광전류 이미징 기능을 통합한 ‘라만분광–주사형 광전류 이미징 융합분석시스템’을 고도화했다고 19일 밝혔다.
연구팀은 이 장비를 활용해 상변화 산화물 반도체의 원자 배열을 레이저로 정밀 제어하는 ‘토포택틱 상전이’ 기술을 구현하고 이를 기반으로 재구성 가능한 반도체 소자를 실제 제작하는 데 성공했다.
이번 연구의 핵심은 물질의 구조 변화와 실제 전류 분포를 동일 위치에서 연속적으로 관찰할 수 있는 분석 플랫폼을 구현한 것이다.
연구팀은 고도화된 국산 라만융합장비를 활용해, 결정 구조의 뼈대는 유지한 채 레이저로 산소 결합 상태만을 조절하는 토포택틱 상전이를 구현했다.
이를 통해 한 시료 내에서 물질 구조 변화와 전류 흐름을 연속적으로 관찰하며 결과를 즉시 소자 설계에 반영할 수 있는 새로운 연구 방식을 제시했다.
또 하나의 성과는 복잡한 반도체 미세공정이나 후속 열처리 없이, 상변화 제어만으로 소자 기능을 선택적으로 재구성할 수 있음을 입증했다는 점이다.
기존 연구가 상변화 현상의 확인이나 물질 전체의 물성을 변화시키는 수준에 머물렀다면 이번 연구에서는 레이저를 이용해 나노-마이크로 크기 영역에 금속과 반도체 특성을 원하는 위치와 형태로 직접 그리는(writing) 기술을 구현하는 데 성공했다.
그동안 고성능 융합분석 시스템은 해외 수입에 의존해 왔으나 이번 국산화를 통해 수입 대체 효과를 거둘 것으로 기대된다. 나아가 반도체·이차전지·바이오 등 전략 기술 분야 소재 연구에 폭넓게 활용될 전망이다.
이번 연구는 KBSI 홍웅기 박사가 총괄하고 한국재료연구원(KIMS) 윤종원 박사 연구팀이 상변화 산화물 반도체 시료 제작과 물성 평가를 담당, 한국세라믹기술원(KICET) 장훈수 박사는 레이저 조사 시 발생하는 빛·열에 따른 상태 변화를 예측하는 다중 물리 계산을 수행으로 실험 결과의 물리적 메커니즘을 뒷받침했다.
홍웅기 박사는 “이번에 고도화 개발한 국산 라만융합장비는 소재의 구조와 소자의 성능을 하나의 플랫폼에서 연속적으로 분석할 수 있는 독보적인 플랫폼으로, 우리나라 소재·소자 연구의 경쟁력을 높이는 핵심 도구가 될 것”이라며 “특히 상변화 산화물 반도체가 가진 고유의 확률적 성질과 레이저 기반 상변조 기술을 결합해 차세대 ‘확률 컴퓨팅’ 구현을 위한 핵심 소자인 오실레이터의 발진 특성과 신호 패턴을 정밀하게 제어하는 후속 연구에 박차를 가할 계획”이라고 설명했다.
