실리콘 반도체 한계 극복하는 고성능·저전력 반도체 소자 개발
실리콘 반도체 한계 극복하는 고성능·저전력 반도체 소자 개발
성균관대학교 강주훈 교수 연구팀, 2차원 소재 잉크 기반 반도체 소자 개발

시간·비용 문제 해결 ... “복잡한 공정 없이 용액공정만으로 제작 가능”
  • 이지혜
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  • 승인 2022.03.07 13:33
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(왼쪽부터) 성균관대학교 강주훈 교수, 김지현 공동 제1저자, 이동준, 공동 제1저자, 송옥인, 공동 제1저자 [사진=한국연구재단 제공]
(왼쪽부터) 성균관대학교 신소재공학과 강주훈 교수, 공동 제1저자 김지현, 이동준, 송옥인  [사진=한국연구재단 제공]

[헬스코리아뉴스 / 이지혜] 국내 연구진이 실리콘 반도체의 한계를 극복할 수 있는 소재로 주목받는 2차원 소재를 잉크 형태로 만들어 고성능, 저전력의 반도체 소자를 대면적으로 구현했다. 

성균관대학교 강주훈 교수 연구팀은 다양한 광물의 원자층 사이사이에 분자를 침투시키는 방식으로 도체, 반도체, 부도체 특성을 갖는 2차원 소재 잉크를 합성하고, 이를 기반으로 웨이퍼단위(wafer-scale)의 다양한 반도체 소자를 블럭을 조립하듯이 구현할 수 있는 방식을 개발했다.

기존에는 수 나노미터 두께의 아주 얇은 2차원 소재를 얻기 위해 광물에 스카치테이프를 붙였다 떼어내는 방식이 주로 이용됐다. 하지만 균일한 박리효과를 기대할 수 없어 생산효율이 떨어졌다. 형성된 2차원 소재의 면적은 수십~수백 제곱 마이크로 미터(micrometer2)에 불과한 한계가 있었다.

연구팀은 잉크 형태의 용액공정으로 얇은 2차원 소재를 균일하게 합성할 수 있는 공정을 설계했다. 이를 통해 2차원 소재를 실제 반도체 산업에 적용하는데 장애물이었던 기존 박리공정의 소요시간과 소요비용 문제를 해결했다. 10센티미터(cm) 직경의 웨이퍼 위에 대면적화 하는데도 성공했다.

연구팀은 전기화학반응을 통해 광물에 기능성 분자를 침투시켜 원자층 사이의 간격을 넓힌 뒤, 알콜 용매에 넣고 약한 초음파를 가해 나노시트로 분리시키는 방식을 고안했다.

그 결과, 대량으로 합성된 고품질 잉크에 포함된 2차원 소재를 블록처럼 조립하는 방법을 통해 웨이퍼단위의 균일한 2차원 소재 필름으로 제작할 수 있었다.

또한, 잉크를 이용해 기존에 비해 소자 특성 및 균일도가 크게 향상되고 구동전압이 매우 낮은 대면적 2차원 반도체 소자를 구현할 수 있었다.

연구팀은 “2차원 소재 잉크 합성법과 이를 기반으로 한 대면적 소자 제작 기술을 통해 실제 산업에서 필요로 하는 다양한 고성능 반도체 소자를 맞춤 제작할 수 있을 것으로 보인다”며 “복잡한 공정 없이 용액공정만으로 제작 가능하다는 점에서 의의가 있다”고 밝혔다.

연구 결과는 신소재 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 지난해 12월 21일 온라인 발표된 한편 정식출간본 표지(back cover)로 선정됐다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 신진연구, 나노소재기술개발사업 등의 지원으로 수행됐다. 

 

고품질 2차원 소재 잉크 생산 및 조립 공정 연구 개념도전기화학 반응을 통해 기능성 분자를 침투시킴으로써 2차원 결정 물질에 손상을 최소화함과 동시에, 두께가 균일하고 너비가 넓은 나노시트 형태로 효과적으로 박리할 수 있다. 생성된 2차원 나노시트 잉크는 용액 공정을 통해 기능성 2차원 소재 블록으로 조립할 수 있다.그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 강주훈 교수
고품질 2차원 소재 잉크 생산 및 조립 공정 연구 개념도
전기화학 반응을 통해 기능성 분자를 침투시킴으로써 2차원 결정 물질에 손상을 최소화함과 동시에, 두께가 균일하고 너비가 넓은 나노시트 형태로 효과적으로 박리할 수 있다. 생성된 2차원 나노시트 잉크는 용액 공정을 통해 기능성 2차원 소재 블록으로 조립할 수 있다.
[그림설명 및 제공 : 성균관대학교 강주훈 교수]
기능성 2차원 소재 블록 조립을 통한 전자/광전자 소자 구현 모식도 및 소자 특성 평가 결과2차원 나노시트의 균일한 두께와 넓은 너비로 인해 필름 형성 시 나노시트 간 반데르발스 접합 계면이 충분히 형성되어 우수한 전기적 성질을 갖는 기능성 블록이 제작 가능하다. 고품질의 도체, 반도체, 절연체 블록을 조합하여 트랜지스터, 광검출 소자, pn 접합 다이오드, 논리연산 소자 등 다양한 소자를 구현할 수 있다.그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 강주훈 교수
기능성 2차원 소재 블록 조립을 통한 전자/광전자 소자 구현 모식도 및 소자 특성 평가 결과
2차원 나노시트의 균일한 두께와 넓은 너비로 인해 필름 형성 시 나노시트 간 반데르발스 접합 계면이 충분히 형성되어 우수한 전기적 성질을 갖는 기능성 블록이 제작 가능하다. 고품질의 도체, 반도체, 절연체 블록을 조합하여 트랜지스터, 광검출 소자, pn 접합 다이오드, 논리연산 소자 등 다양한 소자를 구현할 수 있다.
[그림설명 및 제공 : 성균관대학교 강주훈 교수]

 


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