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2차원 소재 잉크 기반 고성능·저전력 반도체 소자 개발

실리콘 소자의 물리적 한계 극복…차세대 소재 및 제조 기술

(대전=뉴스1) 심영석 기자 | 2022-03-07 12:00 송고
고품질 2차원 소재 잉크 생산 및 조립 공정 연구 개념도(성균관대 강주훈 교수 제공)© 뉴스1

국내 연구진이 2차원 소재를 잉크 형태로 만들어 고성능·저전력 반도체 소자를 수십인치 크기의 대면적으로 구현하는 데 성공했다.

7일 한국연구재단에 따르면 성균관대 강주훈 교수 연구팀이 다양한 광물의 원자층 사이사이에 분자를 침투시키는 방식으로 도체·반도체·부도체 특성을 갖는 2차원 소재 잉크를 합성했다.

이어 이를 기반으로 웨이퍼단위의 다양한 반도체 소자를 블럭을 조립하듯이 구현할 수 있는 방식을 개발했다.

기존에는 수㎚ 두께의 아주 얇은 2차원 소재를 얻기 위해 광물에 테이프를 붙였다 떼어내는 방식이 주로 이용됐다.

하지만 균일한 박리효과를 기대할 수 없어 생산효율이 떨어지고, 형성된 2차원 소재의 면적이 수십~수백μm²에 불과한 한계가 있었다.

이에 연구팀은 잉크 형태의 용액공정으로 얇은 2차원 소재를 균일하게 합성할 수 있는 공정을 설계했다.

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

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

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

이는 다양한 고성능 반도체 소자를 맞춤 제작할 수 있을 것으로 기대된다.

한편, 이번 연구 성과는 신소재 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’ 에 최근 게재됐다.


km5030@news1.kr

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