신소재공학과 정연식 교수 연구팀이 블록공중합체*(Block Copolymer)를 이용해 적은 비용으로 간단하게 2차원 반도체를 제작하는 공정을 개발하였다. 이번 연구는 지난 4월 3일 <나노 레터스(Nano Letters)> 온라인 판에 게재됐다.

2차원 구조의 한계로 상용화 어려워
  2차원 물질은 두께가 얇기 때문에 유연하고 투명하다. 이 물질을 이용해 얇고 유연한 반도체를 만들 수 있어 많은 관심이 쏠리고 있다.
  2차원 물질은 기판 위에서 제작되는데, 제조되는 물질이 너무 얇기 때문에 기판의 형태나 전하의 무작위적인 배치에 영향을 받게 된다. 따라서, 2차원 물질로 반도체를 제작하는 과정은 쉽지 않다.
  이러한 한계를 극복하기 위해 기존에는 2가지 방법을 사용했다. 첫 번째는 2차원 물질 아래의 기판을 파내는 방법이다. 이 방법을 사용하면 2차원 물질은 기판의 영향에서 벗어나고, 본래의 특성을 온전히 보존할 수 있다. 하지만 2차원 물질 아래의 기판을 파내게 되면 물질이 공중에 떠 있게 되어 기계적으로 불안정하며, 수율 또한 매우 낮아진다.
  또 다른 방법은 기판과 2차원 물질 사이에 평평하고 안정한 물질을 삽입하는 것이다. 이 방법은 2차원 물질이 기계적으로 안정되어 수율이 증가하지만, 평평하고 안정한 물질을 삽입하는 과정에서 고온 처리가 필요하거나, 공정 단가가 증가하는 등 한계가 존재한다. 이러한 한계로 인해 2차원 물질의 대량 생산이 어렵다.

구조적 안정성 확보한 새 기판 개발해
  연구팀은 기판에 돌기들을 좁은 간격으로 배치하여 구조적 안정성이 보장하고, 접촉 면적 또한 감소시켜 2차원 물질의 특성 역시 보존했다. 2차원 물질은 두께가 얇기 때문에 기판에 밀착해 안정한 상태를 유지하려 한다. 이를 방지하기 위해 물질이 기판에 밀착해있는 것보다 떠 있는 것이 더 안정하도록 만드는 작업이 중요하다. 이는 기판에 배치된 돌기들의 간격을 좁게 제작하여 해결할 수 있다. 물질의 굽힘 에너지**는 돌기의 간격의 네제곱에 반비례하기 때문에, 간격이 좁을수록 굽힘 에너지가 커져 2차원 물질이 떠 있는 것이 안정하게 된다.
  이를 위해 연구팀은 블록공중합체를 이용해 기판을 제작했다. 블록공중합체는 특정 온도에서 블록 단위로 상변화가 발생하여 서로 섞이지 않고 분리가 되며, 나노 단위의 크기로 스스로 구조를 만든다. 이를 자기조립이라 한다. 만들어진 기판을 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 결과, 기판은 25nm 정도의 간격으로 구형의 돌기가 생성되어 2차원 물질과의 접촉 면적을 최소화하였으며 8nm 정도 높이로 기판으로 부터 떠있는것을 확인했다.

기존 한계 극복하고 수율 높인 공정
  이 방법을 통해 만들어진 2차원 반도체는 실리콘 기판에서 제작된 반도체보다 광 발광 강도는 약 8배, 전계 효과 이동도는 평균 2배에서 최대 4배, 광 반응도는 약 12배가 뛰어나다. 이는 기존의 방법으로 만들어진 떠 있는 2차원 반도체와 비슷한 성능이다.
  뿐만 아니라 연구팀이 개발한 공정은 기존 공정들의 몇몇 한계를 뛰어넘었다. 기존의 방법에서 한계로 지적되었던 기계적 안정성을 나노 구조물을 통해 갖췄으며, 떠 있는 2차원 물질 위에 추가적인 공정을 하더라도 떠 있는 구조가 손상되지 않았다.
  기존 방법과 비교해, 블록공중합체를 이용한 개선된 공정을 이용하면 낮은 온도에서 저렴한 방법으로 기판을 만들 수 있으며, 제작시에도 수율이 높아 2차원 반도체의 대량 생산이 가능하다.

  이번 연구에 제1 저자로 참여한 임순민 박사과정은 “이번 연구가 떠있는 2차원 반도체를 제작의 효율을 높이며 상용화를 앞당기는 계기가 될 수 있을 것이다”라고 전했다.

블록공중합체*
한 단량체로 이루어진 2종류 이상의 블록이 중합을 이뤄 형성된 고분자 물질.

굽힘 에너지**
탄성 에너지의 일종으로 물체가 구부러짐으로 인해 물체에 가해지는 에너지.