▲ (左부터) 조병진 재료연 박사, 인하대 함명관 교수, 성균관대 남재욱 교수, 미국 라이스 대 P. M. Ajayan교수와 트랜지스터 소자..

국내연구진이 머리카락 굵기의 10만분의 1 정도로 얇은 고성능 트랜지스터 소자를 금속 없이 2차원 도체 소재와 계면 접합 기술을 활용해 구현해 내는 데 성공했다.향후 웨어러블 컴퓨터등의 분야에서 활발한 쓰임이 예상된다.

재료연구소(소장 김해두) 표면기술연구본부 조병진 박사팀(제1저자: 김아라 연구원 & 김용훈 박사)은 머리카락 굵기의 10만분의 1 정도로 얇은 고성능 트랜지스터 소자를 금속 없이 2차원 도체 소재와 계면 접합 기술을 활용해 구현해 내는 데 성공했다고 16일 밝혔다.

이번 연구 성과는 인하대학교 함명관 교수, 성균관대학교 남재욱 교수, 미국 라이스 대학교의 P. M. Ajayan교수 연구팀 등과 공동연구를 통해 이뤄냈다.

조 박사팀은 2차원 반도체 소재(텅스텐 다이셀레나이드)와 2차원 도체 소재(니오비윰 다이셀레나이드)를 활용했다. 이렇게 만들어진 트랜지스터 소자는 마치 종이 두 장을 겹친 것과 같이 매우 얇고 잘 휜다.

기존에는 2차원 도체 소재 대신 팔라듐과 같은 금속을 사용했는데 이는 종이 한 장 위에 표면이 거친 두꺼운 책을 놓은 것과 같아 웨어러블 컴퓨터 등에 활용하는 데 어려움이 있었다.

이번에 개발된 기술을 적용하면 기존 금속 소재를 사용했을 때 보다 전기가 빨리 통하는 등 성능을 5배 이상 향상시킬 수 있다. 또한 모두 2차원 소재를 사용하기 때문에 제조 공정이 복잡하지 않고 인프라 구축비용도 상당히 절감할 수 있다.

웨어러블 컴퓨터 등에 적용할 수 있는 얇은 트랜지스터 소자를 만들기 위해서는 2차원 소재를 사용해야 하는데 각각의 소재가 만나는 계면의 청정도 및 균일도가 소자성능을 결정짓는 중요한 요소이다.

2차원 반도체와 금속이 만난 계면은 금속으로 인해 울퉁불퉁하기 때문에 무수한 결함이 생길 수밖에 없어 소자 성능을 크게 저하시킨다. 이에 연구팀은 금속 대신에 유사한 전기적 성질을 가지고 있으면서도 얇은 2차원 도체 소재를 이용해 매우 깨끗하고 균일한 계면을 형성했다.

2차원 반도체 소재의 경우 두께가 너무 얇아 기존 반도체 공정에서 성능을 향상시키기 위해 사용했던 임플란트 도핑 기술을 적용할 수 없었다.

이에 조 박사팀은 2차원 합금 신소재를 계면에 넣어 성능 향상과 더불어 85% 이상의 높은 소자 수율을 획득, 차세대 반도체 소자의 성능 최적화 기술로 응용될 것으로 기대하고 있다.

연구를 주도한 조병진 박사는 “세계적으로 2차원 소재 연구가 주로 반도체 분야에만 집중되어 있어 2차원 도체 소재를 개발하고 이를 다른 2차원 소재와 잘 접합할 수 있는 기술은 경쟁력 있는 원천기술”이라며 “개발된 기술이 더욱 발전되면 차세대 2차원 반도체 소자 집적화 기술로 활용되어 웨어러블 컴퓨터 등의 상업화를 앞당길 수 있을 것으로 예상된다”고 말했다.

이번 연구 성과는 재료연구소 주요사업 ‘전이금속계 2차원 소재 원천기술 개발’과 한국연구재단 신진연구자지원사업 ‘2차원 나노박막 MoS2 소재합성과 가스센서 소자화 기술 개발’ 과제 지원으로 수행됐으며 해당 기술은 나노레터스지(Nano Letters) 3월호에 소개됐다.