카이스트(KAIST)는 신소재공학과 정연식 교수 연구팀이 차세대 2차원 반도체를 나노 크기 돔 구조체 위에 올려 고성능 전자소자 개발했다고 24일 밝혔다.

2차원 반도체는 그래핀이나 포스포린처럼 원자 한 층 두께에 평면 구조를 가진 신물질로 만든다. 기존 실리콘 반도체의 물리적인 성능 한계를 극복할 수 있는 대안으로 주목받는다. 하지만 얇은 두께 때문에 주변 영향에 매우 민감하다. 특히 2차원 반도체가 올려진 기판으로부터 받는 영향 때문에 성능과 신뢰성이 아직까지 확보되지 못했다. 

이 같은 문제점을 해결하기 위해 해외에서는 기판의 영향을 원천적으로 차단할 수 있는 방법에 대한 연구가 한창이다. 2차원 반도체를 공중에 매달린 구조로 설계하는 기술이 그런 노력 중 하나다. 다만 이 기술도 반도체 층 하단을 떠받치는 구조물이 없다 보니 기계적 내구성이 크게 떨어지는 게 흠이다.

정 교수 연구팀은 2차원 반도체 하단에 산화규소 재질의 초미세 돔형 구조물을 촘촘히 쌓는 아이디어로 난제를 극복해냈다. 기판 위에 올린 돔형 구조물은 초미세 나노 크기이므로 빈 공간이 90%가 넘는다. 그런 돔 형태의 구조물 위에 2차원 반도체를 올리면 마치 기판 위에 반도체가 공중 부양해 있는 것과 비슷한 효과를 얻을 수 있다. 즉, 기계적으로 안정적이면서 접촉 면적 및 기판으로부터의 영향을 최소화 할 수 있다.

이 같은 둥근 돔 구조 덕분에 2차원 반도체와 기판 사이의 접촉 면적을 최소화 할 수 있어 반도체의 물리적 성능이 대폭 향상된다.

보통 초미세 돔형 구조물을 제작하기 위해서는 패턴을 일일이 새겨 주는 고가의 장비가 필요하다. 그러나 정 교수 연구팀은 분자가 스스로 움직여 나노구조물을 형성하는 자기조립 현상을 이용해 저비용으로 미세한 돔 구조 배열을 구현해냈다. 또 기존 반도체 공정과도 높은 호환성을 보임을 확인했다.

조사 결과, 이번에 개발된 2차원 반도체의 전자이동 능력은 기존 기술에 비해 2배 이상, 빛 감지 성능은 10배 이상 각각 뛰어났다.

정 교수는 이번 연구 결과에 대해 "다양한 2차원 반도체 소재 이외에도 금속성 2차원 소재인 그래핀의 특성 향상에 똑같이 적용될 수 있다"며 "활용 범위가 커 차세대 유연디스플레이의 구동 트랜지스터용 고속 채널 소재, 광 검출기의 핵심 소재인 광 활성층으로 활용될 수 있다"고 설명했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 미래소재디스커버리사업의 지원을 받아 진행됐다. KAIST 박사과정 임순민 연구원이 제1 저자로 수행한 이번 연구 성과는 미국화학회가 발간하는 국제학술지 '나노 레터스(Nano Letters)' 4월3일자 온라인판에 실렸다.

송강섭 기자 successnews@successnews.co.kr

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