2차원 소재 잉크로 만들어 저전력 반도체 소자 만들었다

강주훈 성균관대 신소재공학과 교수팀

강주훈 성균관대 신소재공학과 교수(사진) 연구팀이 2차원 소재를 잉크 형태로 만들어 대면적 2차원 소재 필름을 만드는 데 성공했다. 한국연구재단 제공

국내 연구진이 실리콘 반도체의 한계를 극복할 수 있는 소재로 주목받는 2차원 소재를 잉크 형태로 만들어 고성능, 저전력의 반도체 소자를 대면적으로 제작하는 데 성공했다.

강주훈 성균관대 신소재공학과 교수팀은 다양한 광물의 원자층 사이사이에 분자를 침투시키는 방식으로 도체, 반도체, 부도체 특성을 갖는 2차원 소재 잉크를 합성하고 이를 기반으로 웨이퍼 단위의 다양한 반도체 소자로 블록을 조립하듯 구현할 수 있는 방식을 개발했다고 7일 밝혔다.

기존에는 수 나노미터(㎚·1나노미터는 10억분의 1m) 두께의 아주 얇은 2차원 소재를 얻기 위해 광물에 테이프를 붙였다 떼어내는 방식이 주로 이용됐다. 하지만 2차원 소재 두께가 불균일해 생산효율이 떨어지고, 면적도 수십~수백 제곱마이크로미터(μm·1마이크로미터는 100만분의 1m)에 불과한 한계가 있었다. 

연구팀은 잉크 형태의 용액공정으로 얇은 2차원 소재를 균일하게 합성할 수 있는 공정을 설계했다. 이를 통해 2차원 소재를 실제 반도체 산업에 적용하는 데 장애물이었던 기존 박리공정의 소요시간과 비용 문제를 해결했다. 나아가 10센티미터 직경의 웨이퍼 위에 대면적화하는 데 성공했다. 

연구팀은 전기화학 반응을 통해 광물에 기능성 분자를 침투시켜 원자층 사이의 간격을 넓힌 뒤, 알코올 용매에 넣고 약한 초음파를 가해 나노시트로 분리하는 방식을 고안했다. 이렇게 대량으로 합성된 고품질 잉크에 포함된 2차원 소재를 블록처럼 조립하는 방법으로 웨이퍼 단위의 균일한 2차원 소재 필름으로 제작할 수 있었다.

또 잉크를 이용해 기존보다 소자 특성과 균일도가 크게 향상됐고, 장치를 구동시키는 전압도 매우 낮은 대면적 2차원 반도체 소자를 구현할 수 있었다. 연구팀은 “지금까지 보고된 대면적의 전이금속 칼코겐화합물(TMDC) 기반 광검출 소자 중 빛에 가장 큰 반응성을 가지는 소자”라고 밝혔다.

이를 기반으로 한 대면적 소자 제작 기술을 마련하면 실제 산업에서 필요로 하는 다양한 고성능 반도체 소자를 맞춤 제작할 수 있으며, 복잡한 공정 없이 용액공정만으로 제작 가능하다는 점도 큰 장점으로 작용할 것으로 보인다. 이번 연구의 성과는 신소재 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’ 지난해 12월 21일자에 온라인으로 선공개 됐으며, 향후 발간될 정식출간본의 뒷 표지로도 실릴 예정이다.

연구팀은 전기화학 반응을 통해 광물에 기능성 분자를 침투시킴으로써 2차원 결정 물질에 손상을 최소화함과 동시에, 두께가 균일하고 면적이 큰 나노시트 형태로 효과적으로 박리해냈다. 생성된 2차원 나노시트 잉크는 용액공정을 통해 기능성 2차원 소재 블록으로 조립할 수 있다. 강주훈 제공

[서동준 기자 bios@donga.com]