실리콘 반도체의 한계를 극복할 수 있는 소재로 주목받는 2차원 소재를 잉크 형태로 만들어 고성능, 저전력의 반도체 소자를 대면적으로 구현한 연구가 소개됐습니다.

성균관대학교 강주훈 교수 연구팀이 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 개발했는데요.

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

연구팀은 잉크 형태의 용액공정으로 얇은 2차원 소재를 균일하게 합성할 수 있는 공정을 설계했습니다. 이를 통해 2차원 소재를 실제 반도체 산업에 적용하는데 장애물이었던 기존 박리공정의 소요시간과 소요비용 문제를 해결했습니다. 나아가 10 센티미터(cm) 직경의 웨이퍼 위에 대면적화 하는데 성공했는데요. 

연구팀은 전기화학반응을 통해 광물에 기능성 분자를 침투시켜 원자층 사이의 간격을 넓힌 뒤, 알콜 용매에 넣고 약한 초음파를 가하여 나노시트로 분리시키는 방식을 고안했습니다. 이렇게 대량으로 합성된 고품질 잉크에 포함된 2차원 소재를 블록처럼 조립하는 방법을 통해 웨이퍼단위의 균일한 2차원 소재 필름으로 제작할 수 있었습니다. 나아가 잉크를 이용하여 기존에 비해 소자 특성 및 균일도가 크게 향상되고 구동전압이 매우 낮은 대면적 2차원 반도체 소자를 구현했습니다.

연구진이 개발한 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 보이며, 복잡한 공정 없이 용액공정만으로 제작 가능하다는 점에서 의의가 있습니다. 

이번 연구의 성과는 신소재 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 지난해 12월 21일 온라인 발표된 한편 정식출간본 표지(back cover)로 선정되었습니다.

논문명 : All Solution-Processed Van der Waals Heterostructures for Wafer-Scale Electronics

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