[ATN뉴스=이기종 기자] 한국연구재단(NRF)은 아주대학교 첨단신소재공학과 이재현 교수팀이 손석균 교수(목포대학교)와 공동으로 균열의 크기와 깊이를 원자단위로 제어할 수 있는 원자-스폴링법을 개발했다고 20일 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.

이에 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.

하지만 이차원 반도체 소재를 확보하는 대표적인 방법은 물리적 박리법(Exfoliation Method)이지만 소재의 크기, 수율, 그리고 층수를 제어하는 것이 불가능하기에 현재까지는 생산적 측면에서의 한계를 지니고 있다.

이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 약한 반데르발스 힘(van der Waals force, 가까운 거리에 있는 전기적으로 중성인 분자들이 서로 끌어당기는 힘)으로 층층이 쌓여있는 구조를 가진 이차원 반도체 결정에 외부 응력이 가해지면 발생하는 균열의 깊이와 방향을 원자층 두께 수준까지 제어할 수 있는 원자-스폴링법을 개발했다.

연구과정을 보면 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 제어해 선택적으로 분리ㆍ확보할 수 있음을 확인했다.

이 과정에서 원자-스폴링법으로 대표적 이차원 반도체 소재인 이황화 몰리브데늄(MoS2) 결정 표면에 은을 필름 형태로 코팅한 후 테이프를 이용해 뜯어낸 결과로 밀리미터 크기의 대면적과 원자층 두께를 가진 고품질 이차원 반도체 소재를 확보했다.

또 이렇게 확보된 소재는 광학적ㆍ전기적 분석을 통해 기존 물리적 박리법에 의해 확보된 소재와 품질의 차이가 없음을 증명했다.

이 연구결과에 의하면 삼차원 반도체의 내부 결합에너지에 비해 100배 이상 작은 결합에너지(반데르발스 힘)를 가진 이차원 반도체 소재의 특징을 활용해 크랙의 깊이와 방향을 원자수준에서 제어하는 원자-스폴링 법을 고안하고 이를 실험적으로 검증했다.

이 연구와 관련해 아주대 이재현 교수는 “원자-스폴링법은 이차원 반도체 소재 활용에 장애물로 여겨지는 품질과 생산성을 동시에 잡을 방안을 제공한 것”이라고 설명했고 손석규 목포대 교수는 “다층 박막구조로 제작된 전자소자에서 발생 되는 필름 박리 문제에 대한 근본 원인을 진단 및 해결하는 데 중요한 역할을 할 것”이라고 덧붙였다.

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구, 기초연구실지원사업 등의 지원으로 수행됐고 재료과학 분야 국제학술지 매터(Matter)에 8월 16일 게재됐다.

이번에 게재된 논문명은 “Layer-engineered atomic-scale spalling of 2D van der Waals crystals”이다.