[기계신문] 실리콘(Silicon, Si)은 반도체 물질로서 각종 센서, LED, 메모리, 디스플레이, 태양전지, 배터리 등과 같은 수많은 디지털 기기의 작동을 위한 필수 핵심전자 소재이다.
하지만 실리콘을 반도체로 사용하기 위해서는 정제, 도핑, 진공증착, 노광, 에칭, 표면처리와 같은 매우 까다롭고 복잡하며 정교한 공정을 거쳐야 하기 때문에 많은 설비와 함께 막대한 비용과 에너지가 요구된다. 또한, 유독 화학물질을 사용하기 때문에 환경오염과 불산 누출 같은 인명사고를 유발하기도 한다.
이에 대한 근본적 원인은 실리콘 웨이퍼 표면을 마이크로/나노 크기로 미세 제거하는 다단계의 화학적 부식 과정에서 유독 화학물질 사용이 불가피하기 때문이다. 따라서 유독물질 누출사고는 작업장 내에서의 관리부실뿐만 아니라 강한 부식성 화학물질을 사용해야 하는 공정상의 근본적인 문제로 인식될 필요가 있다.
최근 유독물질을 사용하지 않는 친환경 대체공정들이 연구되고 있으나, 대부분은 상대적으로 제조가 용이하고 공정요구 조건이 엄격하지 않은 금속 기반의 단순 통전용 미세 전극 기술에 국한되어 왔다. 또, 대체 유무기 반도체 물질 개발도 행해지고 있으나 현저히 낮은 성능으로 실질적 적용 가능성은 불투명한 상황이다.
이러한 가운데, 금오공과대학교 기계시스템공학과 강봉철 교수 연구팀이 복잡한 다단계 공정 없이 대기 환경에서 단일 공정으로 고성능 반도체를 제조할 수 있는 '친환경·저비용 실리콘 기반 반도체 제조 공정'을 개발해 이목을 끌고 있다.
연구팀은 화학적 부식 과정과 다단계 진공·미세화 공정 없이 실리콘 막을 제조하기 위해 실리콘 나노결정 용액에 레이저를 쬐어 대기환경에서 단일 공정으로 광 반응성이 우수한 광전자 소자용 블랙 실리콘 반도체를 제조하는 데 성공했다.
레이저를 쬐면 실리콘 나노 결정이 용융되어 자기 군집화가 일어나고, 이러한 과정이 동시다발적으로 발생하면 서로 다른 크기의 마이크로와 나노 구조가 혼재한 실리콘 반도체 막이 형성된다.
이러한 실리콘 막은 100 nm 이하의 나노 돌기로 덮여 있는 1~10 μm 크기의 마이크로 실리콘 막이 나노 협곡을 경계로 무질서하게 분포된 구조를 갖는데, 미국 그랜드캐니언(Grand Canyon)을 1조 배 이상 축소한 형상과 매우 유사하다. 연구팀은 이러한 독특한 나노 협곡 구조를 ‘나노 캐니언(Nano Canyon)’이라 명명하고 학계에 최초로 보고했다.
나노 캐니언 구조는 빛 산란을 일으키는 경로를 다양화하기 때문에 자외선부터 적외선에 이르기까지 광범위한 파장의 빛에 대해 높은 흡수율을 나타내는데, 연구팀은 이러한 광학적 특성을 활용해 광 감도가 우수한 고감도 광센서를 제작하는 데도 성공했다.
이로써 기존 다단계의 복잡한 화학·진공·미세화 공정 없이 대기 상태에서 단일 공정만으로 친환경적으로 실리콘 반도체를 제작할 수 있는 길을 열었다.
강봉철 교수는 “기존 화학적 부식을 통한 하향식 반도체 제조방식에서 나노 크기 실리콘 결정의 응집을 통해 제조하는 상향식으로 반도체 공정의 패러다임을 바꾸었다”며 “향후 이미지 센서, LED, 디스플레이, 태양전지, 배터리 등 다양한 전자산업계 생산 현장을 안전한 공정으로 탈바꿈하는데 기여할 것으로 기대한다”고 설명했다.
특히 새로운 반도체 제조 기술은 도핑(Doping) 효과도 동시에 구현 가능하기 때문에 적용 제품에 따라 요구되는 전기적 특성 조절이 용이하다. 이로써 광센서뿐만 아니라 LED, 디스플레이, 태양전지, 배터리 등에 이르기까지 다양한 디지털기기에 폭넓게 응용이 가능할 것으로 예상되며, 이를 통해 주력 전자산업의 공정혁신을 통한 생산성 및 안전성 향상과 기술 경쟁력 증진을 도모할 것으로 기대된다.
한편, 이번 연구 성과는 교육부·한국연구재단 이공학개인기초연구지원사업의 지원으로 수행되었으며, 미국화학회가 발행하는 재료 분야 국제학술지 ACS 어플라이드 머터리얼즈 앤 인터페이스(ACS Applied Materials and Interfaces) 10월 24자 논문으로 게재되었다.