차세대 반도체 소재 상용화 위한 핵심 기술 개발
- 이차원 반데르발스 재료의 미세구조를 관찰할 수 있는 스캐너 개발 -
□ 실리콘을 대체할 차세대 반도체 기술의 핵심 소재로 주목받고 있는 이차원 반데르발스 재료*의 상용화를 위한 분석 기술이 개발됐다.
* 이차원 반데르발스 재료(2D van der Waals Materials): 원자 한 층의 두께를 가진 평면 형태의 극박막 소재로 나노급 선폭과 두께를 가진 초고집적 반도체 내에서 높은 물리적, 화학적 물성 및 안정성을 유지할 수 있어 실리콘을 대체할 수 있는 유력한 후보로 주목받고 있으며, 그래핀도 이차원 재료 중 하나
□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 이재현 교수(아주대학교, 제1저자 문지윤 박사) 연구팀이 황동목 교수(성균관대학교), 김태훈 교수(전남대학교)와 함께, 합성된 다결정 이차원 반데르발스 재료의 미세구조를 정확하게 분석할 수 있는 ‘2D 결정 스캐너 기술’을 개발했다고 밝혔다.
□ 새로운 재료를 실제 제품에 적용하기 위해서는 재료 전반의 특성을 파악할 수 있는 미세구조를 정확하게 분석할 수 있는 기술이 선행적으로 개발되어야 한다.
○ 그러나 이차원 반데르발스 소재의 경우, 두께가 원자층 수준에 불과해 일반적으로 사용되는 미세구조 분석법(X선 결정법 및 전자현미경 등)의 직접적인 적용이 불가능하다.
○ 합성된 이차원 반데르발스 소재의 상용화를 빠르게 달성하기 위해서는 미세구조를 정확하게 분석할 수 있는 기술이 필요하다.
□ 연구팀은 서로 다른 이차원 반데르발스 소재를 각도가 다르게 겹쳐 적층할 때 나타나는 무아레 무늬(Moire Pattern)*와 그에 따른 광학적 특성 변화에 주목했다.
* 무아레 무늬(Moire Pattern): 규칙적으로 되풀이되는 무늬들이 합쳐졌을 때 나타나는 새로운 간격을 갖는 무늬
○ 먼저, 미세구조의 결정 방향이 확인된 단결정 단층 그래핀을 광학필터로 활용, 그 위에 합성된 미지의 다결정 그래핀을 반데르발스 힘*을 이용해 적층한 후 나타나는 변화를 라만분광법으로 분석했다.
* 반데르발스 힘(van der Waals force): 가까운 거리에 있는 전기적으로 중성인 분자들이 서로 끌어당기는 힘
○ 분석 결과, 미지의 다결정 그래핀 내부에 존재하는 여러 미세구조 정보들이 광학필터로 활용된 단결정 단층 그래핀과 서로 다른 각도로 적층된 것을 확인했으며, 이를 통해 어긋난 미세구조의 광학적 정보를 빠르고 정확하게 스캔해 이미지화할 수 있었다.
○ 또한, 분석을 완료한 시편은 원자-스폴링* 기술을 통해‘포스트잇’을 떼는 것처럼 물리적 파괴 없이 깨끗하게 분리했다.
* 원자-스폴링(Atomic-Spalling): 약한 반데르발스 힘으로 층층이 쌓여있는 구조를 가진 이차원 반데르발스 결정에 발생하는 균열의 깊이와 방향을 원자 두께 수준에서 제어할 수 있는 본 연구팀의 독자 기술
□ 이번 연구성과를 통해 대면적으로 합성된 이차원 소재의 미세구조를 빠르고 정확하게 분석할 수 있게 되면서 소재에 대한 높은 신뢰성이 요구되는 분야의 어려움을 해결할 수 있을 것으로 기대된다.
○ 이재현 교수는 “후속 연구를 통해 양산 공정에 적용이 가능한 실시간 고속 분석 기술로 발전이 가능할 것으로 예상된다”고 밝혔다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 이공분야 중견연구자 지원 사업으로 수행된 이번 연구 성과는 재료분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)’에 4월 4일 온라인으로 게재되었다.
