국산 라만장비의 진화, 레이저로 반도체 구조 마음대로 그린다
- 작성자 : 언론홍보
- 작성일 : 2026-01-19
- 조회수 : 479
국산 라만장비의 진화,
레이저로 반도체 구조 마음대로 그린다
상변화를 다루는 기술, 차세대 확률 컴퓨팅 소자 가능성 제시
그림. 레이저로 그린 금속·반도체 패턴과 발생 전류 분포 지도
국내 연구진이 국산 라만분광 장비를 기반으로, 물질의 구조 변화와 전기적 특성을 연속적으로 분석할 수 있는 융합 분석 장비를 개발하고, 이를 활용해 반도체 소자의 새로운 구현 방식을 제시했다. 이번에 개발된 기술은‘확률 컴퓨팅’*용 핵심 소자 개발을 비롯해, 다양한 차세대 반도체 및 신개념 소자 연구 분야로의 폭넓은 응용이 기대된다.
한국기초과학지원연구원(원장 양성광, 이하 KBSI) 전략장비개발연구단 홍웅기 박사 연구팀은 국내 라만장비 전문기업 ㈜위브와 함께 기존 국산 라만분광 시스템에 주사형 광전류 이미징 기능을 통합한 ‘라만분광–주사형 광전류 이미징 융합분석시스템’*을 고도화했다. 연구팀은 이 장비를 활용해 상변화 산화물 반도체(V2O3, VO2)*의 원자 배열을 레이저로 정밀 제어하는 ‘토포택틱 상전이’ *기술을 구현하고, 이를 기반으로 재구성 가능한 반도체 소자*를 실제 제작하는 데 성공했다.
이번 연구의 핵심은 물질의 구조 변화와 실제 전류 분포를 동일 위치에서 연속적으로 관찰할 수 있는 분석 플랫폼을 구현한 것이다. 그동안 상변화 산화물 반도체 연구는 전기적 특성 분석이나 구조 분석이 개별적으로 이루어져, 소자 성능과 물질 상태 간의 직접적인 상관관계 규명에 한계가 있었다. 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.
이러한 접근 방식의 연구는 빛과 열로 전기를 생성하는 광열전 소자(photothermoelectric device)* 구현으로 이어졌으며, 차세대 에너지 소자와 센서 소자의 구체적인 실용화 방향을 제시한 것으로 평가된다.
사진. 라만융합분석장비
이번 성과의 핵심 기반인 라만분광-주사형 광전류 이미징 융합분석시스템’은 국내 기업 ㈜위브와 함께 국산연구장비기술경쟁력강화(연구장비산업 지속성장 지원) 사업을 통해 고도화 개발한 결과물이다. 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 연구팀은 상변화 산화물 반도체 시료 제작과 물성 평가를 담당했으며 한국세라믹기술원(KICET) 장훈수 박사는 레이저 조사 시 발생하는 빛·열에 따른 상태 변화를 예측하는 다중 물리 계산을 수행으로 실험 결과의 물리적 메커니즘을 뒷받침했다.
KBSI 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 결합하여, 차세대 ‘확률 컴퓨팅’ 구현을 위한 핵심 소자인 오실레이터의 발진 특성과 신호 패턴을 정밀하게 제어하는 후속 연구에 박차를 가할 계획”이라고 밝혔다.
본 연구결과는 과학기술사업화진흥원(COMPA) 국산연구장비기술경쟁력강화사업 및 KBSI 글로벌탑 전략연구단 사업, 한국재료연구원 기본사업 등의 지원으로 수행되었다. 연구 성과는 나노과학·나노공학 분야 국제 최상위 학술지인 ACS Nano 誌에 1월 9일 온라인판으로 게재되었다.
* 논문명: Programmable Topotactic Phase Transformation of Correlated Mott Oxides toward Reconfigurable Photothermoelectric Devices (IF=16.1, JCR 상위 10%, KBSI 홍웅기(제1저자/교신저자))
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