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  • 기사등록 2022-09-15 12:00:03
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▲ (왼쪽부터) 아주대 이재현 교수와 목포대 손석균 교수



[기계신문] 아주대학교 첨단신소재공학과 이재현 교수 연구팀이 목포대학교 반도체응용물리학과 손석균 교수와 공동으로 실리콘 반도체의 물리적 한계를 극복할 수 있는 이차원 반도체 소재 확보 기술인 원자-스폴링법을 개발하는데 성공했다.

* 스폴링(Atomic-Spalling) : 외부 응력으로 인해 필름이 자발적으로 박리되는 현상


지금까지 반도체는 트랜지스터 내부 선폭을 좁혀가며 단위면적당 집적도를 높이는 구조 혁신을 통해 지속해서 성능을 높여왔다.

* 트랜지스터: 전류나 전압 흐름을 조절하여 스위치 역할을 하는 반도체 칩의 기본 요소


하지만 소형화에 의해 핵심 반도체 소재인 실리콘이 물리적 한계에 봉착함에 따라 급증하는 정보를 빠르고 효율적으로 처리할 수 있는 차세대 고성능-저전력 반도체를 위해서 실리콘을 대체할 수 있는 새로운 반도체 소재를 발굴하는 것이 필수적이다.


이차원 반도체 소재는 그래핀과 같이 원자 한 층의 두께를 가진 평면 형태의 얇은 소재임에도 불구하고 높은 물리적 물성을 유지하고 있어 소형화에 따른 물리적 한계에 실리콘을 대체할 수 있는 유력한 후보로 주목받고 있다.


고성능 전자소자에 적용하기 위한 까다로운 품질 요건을 충족할 수 있는 고품질의 이차원 반도체 소재를 확보하는 대표적인 방법은 테이프 방법으로 잘 알려진 물리적 박리법이다. 물리적 박리법(Exfoliation Method)은 테이프의 접착력을 이용해 그래핀을 흑연으로부터 기계적으로 분리해낸다.


하지만 박리된 이차원 소재의 크기, 수율 그리고 층수를 제어하는 것이 불가능하기에 현재까지 양산 및 생산적 측면에서 불리한 것으로 알려졌다.



▲ 이차원 반도체 소재 표면에 증착된 금속 필름의 내부응력 값에 의해 균열의 깊이가 원자층 두께 수준에서 결정될 수 있음을 나타내는 모식도



이에 연구팀은 약한 반데르발스 힘으로 층층이 쌓여있는 구조를 가진 이차원 반도체 결정에 외부 응력이 가해지면 발생하는 균열의 깊이와 방향을 원자층 두께 수준까지 제어할 수 있는 원자-스폴링법을 개발했다.

* 반데르발스 힘(van der Waals force) : 가까운 거리에 있는 전기적으로 중성인 분자들이 서로 끌어당기는 힘


연구팀은 해당 방법으로 기존 물리적 박리법과 같이 균열에 따라 무작위로 소재를 추출하는 것이 아니라, 균열의 깊이와 방향을 소재의 층간 결합력, 증착된 필름의 내부응력 그리고 소재의 기계적 물성 등으로 제어하여 선택적으로 분리·확보할 수 있음을 확인하였다.


이 원자-스폴링법으로 대표적 이차원 반도체 소재인 이황화 몰리브데늄(MoS2) 결정 표면에 은을 필름 형태로 코팅한 후 테이프를 이용하여 뜯어낸 결과, 밀리미터 크기의 대면적과 원자층 두께를 가진 고품질 이차원 반도체 소재를 확보하는 데 성공했다.


아울러 이렇게 확보된 소재는 광학적·전기적 분석을 통해 기존 물리적 박리법에 의해 확보된 소재와 품질의 차이가 없음을 증명해 보였으며, 다른 이차원 반도체 소재인 몰리브덴 디셀레나이드(MoSe2), 텅스텐 디셀레나이드(WSe2)에도 적용한 결과, 동일하게 층수가 제어됨을 확인할 수 있어 다양한 소재로의 활용 가능성도 검증하였다.



▲ 내부응력제어에 의해 1층, 2층 그리고 3층의 고품질 MoS2가 대면적으로 박리된 이미지



아주대 이재현 교수는 “원자-스폴링법은 이차원 반도체 소재 활용에 장애물로 여겨지는 품질과 생산성을 동시에 잡을 방안을 제공한 것”이라고 강조했다.


목포대 손석규 교수는 “다층 박막 구조로 제작된 전자소자에서 발생되는 필름 박리 문제에 대한 근본 원인을 진단 및 해결하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대한다”고 언급했다.


과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구, 기초연구실지원사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘매터(Matter)’에 8월 16일(한국시간)에 온라인 게재되었다.


기계신문, 기계산업 뉴스채널

한음표 기자 hup@mtnews.net

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