Research

[간섭 기반 SHG 이미징으로 대면적 박막의 구조적 불균일성 분석]

겉으로는 보기에는 문제없어 보이는데, 제 역할을 못 하고 있다. 차세대 반도체 소자의 핵심 소재인 2차원 박막 내부에 숨어있던 구조적 결함 때문이다. 그런데 최근 국내 연구팀이 이 보이지 않는 문제를 빛으로 식별하는 분석법을 개발했다

 POSTECH 화학과 류순민 교수, 통합과정 이예리 씨 연구팀은 차세대 반도체 소재로 주목받는 육방정계 질화붕소(이하 hBN, hexagonal boron nitride)¹⁾ 박막 내부 숨은 구조 결함을 빛으로 식별할 수 있는 간섭 기반 SHG 이미징 분석법을 개발했다. 이번 연구는 재료과학 분야 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 게재됐다.

 스마트폰과 AI, 양자컴퓨터까지. 차세대 전자기술 핵심 소재로 ‘2차원 반도체’가 주목받고 있다. 그중에서도 hBN은 전류 누설을 막는 절연 특성이 뛰어나 '2차원 소재의 보호막'으로 불린다. 그런데 문제는 이 hBN을 대면적으로 만들면 내부에서 결정 방향이 정반대인 영역인 '역평행 도메인²⁾'이 생겨난다는 점이다. 마치 같은 배에 탄 선원들이 서로 반대 방향으로 노를 젓는 상황처럼 겉으로 멀쩡해 보여도 내부 신호가 충돌하며 전기적·광학적 성능이 떨어질 수 있다. 하지만 TEM³⁾이나 STM⁴⁾ 등 기존 분석 장비로는 아주 정밀한 관찰은 가능해도 넓은 면적을 빠르게 분석하기 어렵고, 라만 분광⁵⁾은 시료를 파괴하지 않고 분석할 수 있지만 역평행 도메인을 직접 구별하기에는 한계가 있었다.

 연구팀은 ‘2차 고조파 발생(이하 SHG, second-harmonic generation)⁶⁾ 이미징’ 기술에 주목했다. SHG는 특정 물질에 빛을 비췄을 때 원래 빛의 두 배 주파수를 가진 빛이 튀어나오는 현상이다. 연구팀은 여기에 외부 기준 신호⁷⁾를 더해 두 신호 사이의 위상 차를 정밀하게 분석했다. 그 결과, 눈으로 보기에는 같은 방향처럼 보이는 영역들 사이에서도 실제로는 SHG 위상이 정확히 180도 반대인 역평행 도메인이 널리 존재한다는 사실을 확인했다. 

 특히, 다양한 성장 조건으로 제작한 hBN 박막 10종을 비교 분석해, SHG 세기 차이가 단순 결정 방향 차이가 아니라 역평행 도메인 간 ‘상쇄 간섭’과 밀접하게 연결돼 있다는 점도 밝혀냈다. 서로 반대 방향의 신호가 만나 빛이 약해지는 현상을 통해 결정 구조 불균일성을 정량적으로 파악할 수 있게 된 것이다.

 또한, SHG 세기와 라만 분광 데이터, 결정 방향 분산 등의 상관관계를 종합해 hBN의 결정성과 구조적 균일성을 평가할 수 있는 광학 기준도 제시했다. 이는 단순히 특정 결함을 찾아내는 수준을 넘어, 대면적 2차원 소재의 품질을 빠르고 체계적으로 검사할 수 있는 길을 열었다는 의미가 있다.

 POSTECH 류순민 교수는 “그동안 직접 확인하기 어려웠던 hBN 내부의 역평행 도메인을 광학적으로 식별할 수 있음을 보여준 성과”라며 “향후 이차원 물질의 성장 조건 최적화는 물론, 차세대 전자·광학·양자소자 개발에도 중요한 분석 기술로 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

 한편, 이 연구는 한국연구재단 중견연구사업과 시스템화학글로벌 선도연구센터 지원을 받아 수행됐다.

▶️ DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202519546

1. 육방정계 질화붕소(hexagonal boron nitride; hBN) : 육각 격자 구조를 가진 대표적 이차원 절연체 물질로, 전자·광학 소자에 널리 활용된다.

2. 역평행 도메인 : 같은 결정 구조를 가지지만 결정 방향이 서로 반대인 결정 영역을 뜻한다.

3. TEM(Transmission Electron Microscopy, 투과전자현미경): 전자빔을 시료에 통과시켜 원자 수준의 내부 구조를 관찰하는 초고해상도 현미경 기술

4. STM(Scanning Tunneling Microscopy, 주사터널링현미경): 매우 뾰족한 탐침을 시료 표면 가까이 이동시키며 전류 변화를 측정해 원자 단위 표면 구조를 분석하는 기술

5. 라만 분광(Raman spectroscopy): 레이저(빛)을 물질에 비췄을 때 산란되는 빛 변화를 분석해 물질의 구조와 결정 상태를 확인하는 비파괴 분석 기술

6. 2차 고조파 발생(Second Harmonic Generation; SHG) : 강한 빛이 물질과 상호작용할 때 입사광의 두 배 주파수를 갖는 빛이 생성되는 비선형 광학 현상이다.

7. 기준 신호: 이미 위상(빛의 진동 타이밍)을 알고 있는, 비교를 위한 기준 빛