▲ 목포대 반도체응용물리학과 손석균 교수, 아주대 에너지시스템학과 이재현 교수와 문지윤 석·박사통합과정 학생)

[통합뉴스 김현수 기자] 실리콘 반도체의 물리적 한계를 극복할 수 있는 이차원 반도체 소재 확보 기술인 원자-스폴링법이 국내 연구진에 의해 개발되었다.
 
국립목포대학교(총장 박민서)는 반도체응용물리학과 손석균 교수 연구팀(목포대, 공동저자 김도훈 석․박사통합과정)이 이재현 교수(아주대, 제1저자 문지윤 석․박사통합과정)와 공동으로 균열의 크기와 깊이를 원자단위로 제어할 수 있는 원자-스폴링법을 개발하는 데 성공했다고 밝혔다.

최근 반도체의 소형화 과정에서 핵심 반도체 소재인 실리콘이 공정 크기의 물리적 한계점에 봉착함에 따라 실리콘을 대체할 수 있는 새로운 반도체 소재를 발굴하는 다양한 연구가 시도되고 있다.

이차원 반도체 소재는 원자 한 층의 두께를 가진 평면 형태의 얇은 소재임에도 불구하고 높은 물리적 성질을 유지하고 있어, 실리콘을 대체하고 차세대 반도체 소자 구현의 핵심적인 역할을 할 것으로 주목받고 있다.

이차원 반도체 소재를 확보하는 대표적인 방법은 물리적 박리법이지만 소재의 크기, 수율, 그리고 층수를 제어하는 것이 불가능하기에 현재까지 생산적 측면에서는 한계를 지니고 있다.

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 개발하였다.

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 분리ㆍ확보할 수 있음을 확인하였다.

▲ 내부응력제어에 의해 1층, 2층, 그리고 3층의 고품질 MoS2가 대면적으로 박리된 이미지사진 설명:MoS2 표면에 내부응력 값이 서로 다른 은 (Silver) 필름을 증착한 후 테이프로 벗겨낼 때 발생하는 균열은 원자-스폴링 이론을 따른다. (위) 내부응력 값의 크기에 따라 균열의 깊이는 MoS2 필름 1층, 2층, 3층의 두께에서 결정된다. (아래) MoS2 결정으로부터 선택적으로 분리된 1층, 2층, 그리고 3층 MoS2의 광학 이미지이다.

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 성공하였다.

나아가 이렇게 확보된 소재는 광학적ㆍ전기적 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.

손석균 교수는 “다층 박막구조로 제작된 전자소자에서 발생 되는 필름 박리 문제에 대한 근본 원인을 진단 및 해결하는 데 중요한 역할을 할 것”이라고 전했으며, 이재현 교수는 “원자-스폴링법은 이차원 반도체 소재 활용에 장애물로 여겨지는 품질과 생산성을 동시에 잡을 방안을 제공한 것”이라고 기대를 덧붙였다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 우수신진연구, 중견연구, 기초연구실지원사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료과학 분야 국제학술지 매터(Matter, IF 19.967)誌에 8월 16일(한국시간)에 온라인 게재되었다. 

김현수 기자  newsman3@hanmail.net

<저작권자 © 통합뉴스, 무단 전재 및 재배포 금지>