반도체 나노막대는 막대의 긴 방향을 따라 편광 빛을 내는 독특한 광학 특성을 지녔다. 디스플레이 분야에서 막대한 빛 손실을 가져왔던 기존 편광판을 대체할 수 있는 나노소재로 꼽힌다. 

단일 나노막대의 편광 특성을 소자 면적의 필름에서 구현하려면 모든 나노막대가 한 방향으로 정렬된 뗏목 형태인 스멕틱(smectic) 자기조립 구조가 필요하다. 

수십 nm의 길이와 수 nm 두께의 나노막대를 대면적에서 정렬하기 위해서는 전기장을 유도하는 전극 기판 혹은 한정된 공간에서 입자를 조립할 수 있는 패터닝된 기판이 필요해 실제 소자 적용에는 어려움을 지닌다. 

연구팀은 문제 해결을 위해 공기-용액 계면과 나노막대 간의 인력, 나노막대와 나노막대 간의 인력을 순차적으로 유도해 단일 층 두께의 나노막대 스멕틱 필름을 제작했다. 이 기술을 활용하면 기판으로 사용한 공기·용액 계면을 용액 증발과 함께 제거할 수 있다. 조립 면적에 제한이 없어 소자 종류와 상관없이 적용 가능하다. 

연구팀은 길이 30nm, 지름 5nm의 나노막대들이 수십 마이크로제곱 면적에 걸쳐 88%의 정렬도로 초박막 필름을 형성함을 확인했다. 또 계면과 나노막대, 나노막대와 나노막대 간 상호 작용력을 정량적으로 계산·비교함으로써 나노막대가 계면에서 조립되는 원리를 밝혀냈다. 

이번 연구성과는 디스플레이 분야에 활발히 적용될 전망이다. 소자 두께의 최소화, 비용 절감, 성능 강화 등에 기여할 것으로 보인다. 

김다흰 연구원은 "입자의 상호작용력 조절을 통해 단일 층 두께에서 나노막대 스스로가 방향성을 통제하며 고배열로 정렬할 수 있다는 것을 증명했다"며 "외부 힘 없이도 더욱 정교한 자기조립구조가 가능하다는 것을 보여줬다. 고배열, 고배향을 갖는 다양한 나노입자의 초박막 필름 제작, 필름 소자에 활발히 사용될 것"이라고 말했다. 

이번 연구는 한국연구재단 나노·소재원천기술개발사업의 지원을 받아 수행됐으며 국제 학술지 '나노 레터스'(제1저자 김다흰 연구원)에 지난 달 소개됐다.