빛의 삼원색으로 발광하는 실리콘 나노 결정

히로시마 대학 자연과학 연구 지원 개발 센터에서는 풀 컬러(Full Color) 및 자외선

영역에서 발광하는 실리콘 나노 결정의 생성에 성공했다(그림1).

레이저와 특수한 유체를 조합한 세계 최초의 방법으로 성공한 것이다.(그림 2)

즉, 초임계 유체 중에서 반도체 실리콘의 펄스 레이저 어블레이션(Pulse Laser

Ablation)을 실시, 나노미터 사이즈의 실리콘 결정을 생성했다.

실리콘 나노 결정의 분광 측정으로 근자외선 및 빛의 삼원색(RGB)의 발광이 확인

되었다.

실리콘 나노 결정을 급냉하면 발광 강도가 100배 증가하고, 발광색도 제어할 수

있는 것이 확인되었다.

생성 시간은 몇 분으로 매우 짧지만, 풀 컬러로 발광할 수 있으며, 그 물질이

실리콘이라는 것도 특징이다.

조명, 디스플레이, 광전자 디바이스, 인체 친화적인 바이오 마커 등에 응용이

기대된다.

이 연구는 히로시마 대학과 과학기술 진흥기구(JST)의 전략적 창조 연구 추진

사업의 공동의 성과에 의한 것으로 미국 화학회지의 온라인판에 곧 공개될 예정이다.

반도체 실리콘(Si)은 20세기 번영의 기반으로 현재에도 PC, 자동차를 시작으로

전기를 동력원으로 하는 가전 제품 등에는 거의 모두에 사용되고 있다.

한편, Si은 태양전지나 광검출기 등 광전 변환 소자로서는 실용화되어 있지만,

발광소자로는 실용화되어 있지 않았다.

그 이유는 벌크 Si의 전자 구조, 즉 발광 강도가 약하고, 발광 파장은 육안으로

보이지 않는 적외선이다.

이번 연구팀은 2005년에 레이저와 초임계 유체를 조합한 나노 구조체를 생성하는

방법을 세계 최초로 개발했다.

이번 연구에서는 이 방법으로 실리콘 나노 결정을 생성해 생성물의 구조 해석이나

광 발광 측정을 실시했다.

그 결과, 빛의 삼원색(청, 녹, 적) 및 보라색, 그리고 근자외 영역(파장 350~400nm)에서

발광하는 Si 나노 결정의 생성에 성공했다(그림3).

지금까지의 연구로 각각의 색상으로 가시 발광하는 다공질 실리콘(포러스 실리콘)

등의 보고는 있었다.

그러나, 하나의 생성법으로 빛의 삼원색 모두가 갖추어져 있고, 자외선까지 발광하는

실리콘 나노 결정의 생성은 이번 연구가 처음이다.

그것을 실현한 것이 초임계 유체 중에서의 펄스 레이저 어블레이션(PLA)이다.

본 연구팀은 초임계 유체의 연구를 10년 전부터 실시해, 그 경험과 지식을 갖추고

있었다.

한편, 레이저를 이용한 연구도 15년 전부터 축적해 왔다.

그 두 가지를 융합하는 아이디어가 세계 최초로 이번 발견으로 연결된 것이다.

이번 연구의 특색은 빛의 삼원색으로 발광하는 물질이 실리콘이라고 하는 것이다.

그 이유는 원료가 풍부하고 환경에도 좋은 물질(모래나 흙에도 실리콘이 많이 포함

되어 있어 지구상에서 가장 다량으로 있는 원소 중 하나)이며, IC칩(집적회로)은

실리콘으로 만들어져 있어 같은 물질로 빛과 전자의 융합에 의한 광전자 공학에의

전개가 기대된다.

또한, 실리콘은 다른 무기물이나 유기물 등과 비교하면 생체 적합성이 높아, 인체

친화적인 바이오 마커로서 암 치료 등의 의약 분야에서도 기대된다.

많은 물질들은 나노미터 사이즈로 만들면 새로운 기능을 발현한다.

금에 대해서도 같은 방법으로 나노 물질의 생성을 실시, 목걸이상의 구조를 가지는

금 나노 목걸이의 생성에 성공했다.(작년 논문 발표)

향후에는 다른 물질도 포함한 신기능을 가지는 나노 구조물질의 연구를 한층 더

전개해 나갈 예정이다.