'원자 크기' 2차원 반도체를 光땜질로 가공한다

한국화학연구원 김현우 박사 등 공동연구팀
고용량 반도체 메모리 등에 활용 가능

레이저 빛을 쏘면, 얇은 막 아래에 있는 인듐나노입자(그림 속 동그란 알맹이)가 녹으면서 위에 있던 박막과 붙어버려 박막 반도체의 표면이 패이며 굴곡이 생기는 모습. 그림제공=한국화학연구원.

[아시아경제 김봉수 기자] 얇은 원자층으로 이루어진 2차원 반도체를 빛으로 땜질해 가공하는 차세대 반도체 기술이 개발됐다. 고용량 반도체 메모리, 투명 유연 디스플레이, 웨어러블 바이오 센서 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

한국화학연구원은 김현우 박사가 신채호 한국표준과학연구원 박사, 김태완 전북대 교수와 공동으로 2차원 박막 반도체 위에 레이저 빛을 쏘아서 납땜질하듯이 패터닝하는 가공 기술을 개발했다고 21일 밝혔다. 이 기술은 박막 반도체 손상 없이, 수초 내에 거의 실시간으로 원하는 곳에 패터닝할 수 있어 응용 가능성이 매우 높다.

2차원 박막 반도체는 그래핀처럼 얇은 두께, 투명성, 유연함 등의 장점을 가지고 있으면서도 그래핀과 달리 반도체 성질을 띠고 있어 2010년 첫 발견 이후 차세대 디스플레이, 광센서 소자, 반도체 소자로 주목받고 있다. 2차원 박막 반도체를 반도체 소자 등으로 활용하기 위해서는 표면에 패턴·회로를 만드는 기술, 즉 실시간 패터닝 가공 기술이 필요하다. 반도체 물질이 제품에 적용되기 위해서는 전자의 이동을 활성화하거나 제어할 수 있도록 해야 한다. 이에 전자의 활동 에너지 범위(밴드갭)를 위치별로 조절할 수 있는 패터닝 가공 기술이 꼭 필요하다.

하지만 2차원 박막 반도체는 두께가 원자층(단층두께 ~0.62 nm) 정도로 매우 얇아 손상이 잘 된다는 한계를 가지고 있다. 기존 반도체 가공기술인 열가공, 이온 주입, 플라즈마 등은 박막 표면이 손상될 위험이 있다. 또한 원하는 위치에 패터닝하기 위해서는 추가비용과 공정이 필요하다. 가공시간이 수 분에서 수 시간까지 길어져 생산성이 떨어지는 단점도 있다.

연구팀은 2차원 박막 반도체 밑에 인듐나노입자를 깔고 특정 세기의 빛을 쏘았다. 빛은 반도체 물질에는 영향을 주지 않으면서 인듐나노입자를 녹인다. 녹은 인듐나노입자는 그 위의 반도체 물질을 끌어당겨 함께 붙어버린다. 이때 반도체 표면이 패이면서 굴곡 구조, 즉 패턴이 형성된다. 이렇게 패터닝된 곳은 전자의 활동 에너지 범위(밴드갭)가 달라지면서 물질의 특성이 부분적으로 변한다. 광땜질로 가공된 2차원 박막 반도체의 표면 구조는 빛과 상호작용할 수 있어 차세대 광전소, 바이오 센서 등에 활용될 수 있다. 특히 빛의 위치나 세기, 조사 시간 등에 의해 표면 구조가 달라져서 원하는 성질로 다양하게 가공할 수 있다.

이번 연구 결과는 광과학·재료 분야 국제학술지 ‘Advanced Optical Materials’ (Impact factor: 10.05)에 올해 9월 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr