 실리콘 전자소자 대체할 2차원 반도체 연구 KAIST 공중부양술로 2차원 반도체 성능 향상
원자층 두께를 갖는 2차원 소재인 그래핀은 실리콘보다 100배 이상의 전자이동도를 갖지만 밴드갭이 존재하지 않아 반도체로는 활용하기 어렵다고 한다. 이를 극복하기 위해 또 다른 2차원 반도체 물질에 대한 연구가 활발하다. 대표적으로 이황화몰리브덴(MoS2)이 있다. 이번 호에서는 KAIST 연구진이 돔 구조체 위에 2차원 반도체인 이황화몰리브덴(MoS2) 올려 그 성능을 획기적으로 올렸다는 소식과 더불어, 2014년 1월에 IBS가 금 촉매를 이용해 2차원 이황화몰리브덴(MoS2)을 제작하는 기술로 발표했던 ‘나노재료 성장법’을 살펴보았다. 자료: KAIST, IBS
KAIST 신소재공학과 연구팀(정연식 교수)이 차세대 2차원 반도체를 빈 공간이 90%가 넘는 나노크기 돔 구조체 위에 올려 고성능 전자소자를 구현하는 데 성공했다. 이러한 둥근 돔 구조 형상 덕분에 2차원 반도체와 기판 사이의 접촉면적을 최소화할 수 있어 반도체의 물리적 성능이 대폭 향상된 것이다.
연구팀은 이 기술을 활용해 2차원 반도체의 전자이동 능력을 기존 기술에 비해 2배 이상, 빛 감지 성능은 10배 이상 향상시켰다. 박사과정 임순민 연구원이 제1 저자로 수행한 이번 연구는 미국화학회가 발간하는 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 온라인 판 4월 3일에 게재됐다.
2차원 반도체 소재는 기존 실리콘 반도체의 물리적인 성능 한계를 극복할 수 있는 대안으로 떠오르고 있다. 하지만 원자층 수준의 얇은 두께 때문에 주변 영향에 매우 민감하다는 특성이 있다. 특히 2차원 반도체를 올린 기판으로부터의 불규칙한 영향에 의해 성능과 신뢰성이 확보되지 못하고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 해외 여러 연구팀들이 기판의 영향을 원천적으로 차단할 수 있는 방법을 연구하고 있다. 그 중 2차원 반도체를 공중에 매달린 구조로 설계하는 기술이 보고된 바가 있지만 반도체 층 하단을 받쳐주는 구조물이 존재하지 않아 기계적 내구성이 크게 떨어지는 단점이 있다는 평가를 받았다. 분자의 자기조립 현상으로 저비용으로 돔 구조 구현 이러한 단점을 정 교수 연구팀은 2차원 반도체 하단에 산화규소 재질의 초미세 돔형 구조물을 촘촘히 형성하는 아이디어로 해결했다. 기판 위에 올라가 있는 돔형 구조물은 초미세 나노 크기이기 때문에 빈 공간이 90%가 넘는다. 그러한 돔 형태의 구조물 위에 2차원 반도체를 올리면 마치 기판 위에 반도체가 공중 부양하는 것과 유사한 효과를 보이게 된다. 이를 통해 기계적으로 안정적이면서 접촉 면적이나 기판의 영향을 최소화할 수 있다. 일반적으로 초미세 돔형 구조물을 제작하기 위해서는 패턴을 일일이 새겨주는 고가의 장비가 필요하다. 그러나 정 교수 연구팀은 분자가 스스로 움직여 나노구조물을 형성하는 자기조립 현상을 이용해 저비용으로 미세한 돔 구조 배열을 구현하는 데 성공했다. 또한 기존 반도체 공정과도 높은 호환성을 보여 상용화에도 큰 어려움이 없을 것으로 보인다. 정연식 교수는 “이번 연구가 다양한 2차원 반도체 소재 이외에도 금속성 2차원 소재인 그래핀의 특성 향상에 동일하게 적용될 수 있다”며 “활용범위가 커 차세대 유연디스플레이의 구동 트랜지스터용 고속 채널 소재 그리고 광 검출기의 핵심 소재인 광 활성층으로 활용될 수 있다”고 말했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리사업의 지원을 받아 수행됐다.
‘2차원 반도체’ 그래핀 대체할 차세대 소재 원자 수준으로 얇은 박막인 2차원 나노 재료는 실리콘 기반 전자 소자를 대체하는 차세대 소재로 주목 받고 있다. 2차원 반도체(Two-dimensional semiconductor)는 더욱 투명하고 유연한(flexible)한, 그리고 전력 효율이 뛰어나면서도 고성능을 발휘하는 전자소자에 응용될 수 있는 소재다. 가장 대표적인 예로는 그래핀(graphene)이 있다. 그래핀은 탄소 원자들이 모여 2차원 평면을 이루고 있는 구조로, 그 형태는 각 탄소 원자들이 육각형의 격자를 이루며 꼭짓점에 위치하고 있는 모양이다. 이 모양을 벌집구조(honeycomb structure) 또는 벌집격자(honeycomb lattice)라고 일컫기도 한다. 그러나 그래핀은 실리콘보다는 오히려 구리나 금과 같은 전도체이어서 활용성이 상대적으로 제한적인 것으로 알려져 있다. 이에 따라 그 자체로 반도체인 2차원 이황화몰리브덴이 그래핀을 대체할 차세대 전자소재로서 많은 관심을 받았다. 2차원 이황화몰리브덴은 그 자체로서 반도체성을 띠기 때문에 도체인 그래핀보다 전자소자에의 응용성이 더욱 뛰어나다. 또한 이황화몰리브덴에서 밸리 편극(valley polarization)이 발견됨으로써 전자소자를 넘어 양자 컴퓨터 등에도 그 효용성이 있을 것이라는 기대를 모았다. 그러나 2차원 이황화몰리브덴을 실질적으로 상용화하기 위해서는 물리적으로 각 층을 뜯어내는 기계적 박리법과 같은 기존의 방식보다는 화학적으로 합성하여 넓게 성장하도록 하는 기술이 필요하다. 특히, 이때 넓은 면적에 균일하게 원하는 형태를 지니는 ‘패턴된 성장’(patterned growth)이 중요하다. 이는 성장 후 식각(etching)과정을 생략함으로써 이황화몰리브덴 기반의 소자를 제작하는 공정을 단순화할 수 있게 해주기 때문이다. 또한, 새로운 성질을 나타내는 서로 다른 2차원 나노 재료를 쌓거나 붙여서 만드는 2차원 나노 복합구조체 성장에 필수 불가결하다. 하지만 기존의 화학기상증착법은 단순한 물리적 증착이기 때문에 넓은 면적으로 성장하는 것은 가능했으나, 균일하게 원하는 형태를 지니는 ‘패턴된 성장’은 알려진 사례가 없었다.
4년 전 IBS 세계 최초로 2차원 반도체 나노재료 성장법 선보이기도 2014년 1월 14일, 기초과학연구원(IBS)의 ‘원자제어저차원전자계연구단’의 최희철 교수(POSTECH 화학) 연구진이 금 촉매를 이용해 2차원 이황화몰리브덴(MoS2)을 넓은 면적과 원하는 기하학적 형태로 제작이 가능한 반응법을 개발해 화제가 됐었다.
당시, 연구진은 몰리브덴 헥사카보닐[Mo(CO)6]을 금의 표면 위에 주입할 경우, 이 둘이 표면에서만 서로 섞여 이른바 표면합금(surface alloy)을 만드는 것을 발견하였다. 또한 이러한 표면합금은 황화수소와 반응하여 2차원 이황화몰리브덴으로 성장하여 금에서 분리할 수 있다는 것을 밝혀내기도 했다. [그림 2] IBS의 이 연구는 세계 최초로 2차원 이황화몰리브덴을 원하는 크기와 기하학적 형태로 균일하게 합성하고 이를 반도체 소자로 제작할 수 있음을 규명한 것이다. 이로써 2차원 이황화몰리브덴을 향후 굴절·투명 전자 소자와 같은 차세대 반도체 산업에 응용될 것이란 기대를 모으기도 했다. 또 2차원 이황화몰리브덴은 반도체성 층상 재료(layered material)로서, 그래핀과 구조적으로 유사하나 전도체인 그래핀과는 달리 반도체성을 지녀 태양전지, 저전력 트랜지스터, 플렉시블 디스플레이, 투명 전자소자 등 활용분야가 매우 광범위하다는 평가를 받았다.
용어설명 1. 고분자 자기조립(polymer self-assembly) : 자기조립 현상은 분자가 스스로 움직여 정렬된 구조체를 형성하는 현상으로서 본 연구에서는 두 가지 이상의 고분자 블록으로 나뉘어 구성된 블록공중합 고분자(Block copolymer)의 자기조립 원리를 이용하여 돔 모양의 나노구조체를 형성하였다. 이때 블록공중합 고분자의 한 블록에 실리콘(Si)을 함유하도록 설계하면 자기조립 과정과 간단한 산소 플라즈마처리를 통하여 나노크기의 산화규소 돔 배열을 넓은 면적에서 얻을 수 있게 된다. 2. 트랜지스터(Transistor) : 세 개의 단자로 이루어져 전기신호를 증폭하거나 전류의 흐름을 조절하는 스위치로서 각종 반도체 소자 및 디스플레이의 필수 구성 요소이며 그 성능은 채널소재의 전자이동도, 밴드갭 등에 의해 결정된다. 3. 광검출기(Photodetector) : 광 에너지를 검출하여 전기적 신호로 바꿀 수 있는 소자로서 디지털카메라에서 빛 정보를 디지털이미지로 변환하는 이미지센서(Image sensor)의 핵심 구성요소로 사용된다. 4. 2차원 이황화몰리브덴 : 그래핀과 유사한 구조를 지니는 반도체 재료로서, 그래핀처럼 원자 수준으로 얇고 휠 수 있어 차세대 나노 재료로서 주목 받고 있다. 5. 층상 재료 : 흑연과 같이, 종이와 같은 단위 층이 쌓여 있는 재료를 일컫는다. 이러한 재료에서 단일 층만을 분리할 경우 새로운 물리·화학적 특성을 보인다. 예컨대 흑연에서 한 층을 떼어낸 것이 그래핀이다. 6. 화학기상증착법(chemical vapor deposition; CVD) : 화학적으로 2차원 나노재료를 대면적으로 합성하는 방법으로, 기판 위에 주입된 해당 나노 재료의 전구체(precursor; 반응물)가 기판에서 반응하여 만든다. 그래핀은 일반적으로 메탄 가스를 전구체로 하여 니켈이나 구리와 같은 기판 위에서 성장한다. 7. 패턴된 성장(patterend growth) : 원하는 기하학적 형태를 지니게끔 재료를 성장하는 것으로, 예컨대 대면적으로 성장하여 불필요한 부분을 없애는 에칭(etching)과는 달리 처음에 성장할 때부터 원하는 기하학적 형태를 보이도록 한다. 8. 표면합금(surface alloy) : 기존의 합금이 큰 덩어리 내에서 서로 다른 금속이 섞이는 것을 의미하는 반면, 표면합금은 덩어리 내부에서는 섞이지 않는 반면 물질의 표면에서만 합금을 이루어 원자수준으로 얇은 금속 층을 이루는 것을 의미한다.
<Energy News>
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