[지금은 과학] 얇은 이차원 반도체, 광(光)땜질로 차세대 반도체 기술 개발

[아이뉴스24 정종오 기자] 얇은 원자층으로 이뤄진 이차원 반도체를 빛으로 땜질해 가공하는 차세대 반도체 기술이 개발됐다. 앞으로 고용량 반도체 메모리, 투명 유연 디스플레이, 웨어러블 바이오센서 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

이차원 박막 반도체(전이금속-칼코겐 원소들로 이루어진 화합물)는 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.

이차원 박막 반도체를 반도체 소자 등으로 활용하기 위해서는 표면에 패턴·회로를 만드는 기술, 즉 실시간 패터닝 가공 기술이 필요하다. 이차원 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. 원하는 위치에 패터닝하기 위해서는 추가비용과 공정이 필요하다. 가공시간이 수 분에서 수 시간까지 길어져 생산성이 떨어지는 단점도 있다.

한국화학연구원 김현우 박사, 한국표준과학연구원 신채호 박사, 전북대 김태완 교수 공동연구팀은 이차원 박막 반도체 위에 레이저 빛을 쏘아서 납땜질하듯이 패터닝하는 가공 기술을 개발했다.

이 기술은 박막 반도체 손상 없이, 수초 내에 거의 실시간으로 원하는 곳에 패터닝할 수 있어 응용 가능성이 매우 높다.

연구팀은 이차원 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 이차원 박막 반도체의 표면 구조는 빛과 상호작용할 수 있어, 차세대 광전소자, 바이오 센서 등에 활용될 수 있다. 빛의 위치나 세기, 조사 시간 등에 의해 표면 구조가 달라져서 원하는 성질로 다양하게 가공할 수 있다.

연구팀의 이번 연구결과(논문명:Optical soldering of MoS2 layers for defect structure formation with induced photoluminescence)는 광과학·재료 분야 국제저널인 ‘Advanced Optical Materials’에 올해 9월 실렸다.

연구책임자 김현우 박사는 “광땜질(optical soldering) 기술은 입사광을 조절해 패터닝과 물질 특성을 정밀하게 가공할 수 있으며 수 초 이내에 실시간 가공할 수 있기 때문에 응용 가능성이 매우 높다”며 “광땜질 기술을 이용해 앞으로 유연 투명 디스플레이, 고감도 바이오 센싱 기술 개발 등의 연구를 수행할 예정”이라고 말했다.