휘어지는 대용량 반도체 원천기술 개발

카이스트 김상욱 신소재공학과 교수 연구팀, ‘분자조립’ 기술 이용 20nm급 초미세 패턴 구현

플렉시블 기판 상에 옮겨진 금 나노 구조체.

[아시아경제 이영철 기자] 휘어지는 대용량 반도체 원천기술이 개발됐다.

한국과학기술원(총장 강성모, 이하 카이스트)은 김상욱 신소재공학과 교수 연구팀이 원하는 모양으로 분자가 스스로 배열하는 ‘분자조립’기술을 활용, 휘어지는 대용량 반도체원천기술을 개발했다고 12일 밝혔다.

김 교수 연구팀은 부드러운 그래핀기판 위에 양산 중인 반도체패턴의 최고수준인 20nm(나노미터)급 초미세패턴을 나타냈다.

이번 기술 개발로 유연하게 휘어지면서도 많은 양의 데이터를 담을 수 있는 반도체를 만들 수 있어 고성능 플렉시블전자기기 개발에 도움이 될 것으로 학계는 내다봤다.

제작공정 과정. 1. 스핀 코딩이라는 도포법을 사용해 그래핀 박막을 형성, 2. 그래핀 박막 위에 블록공중합체를 형성, 3. 블록공중합체을 식각 또는 패턴 전사법을 통해 나노 구조를 형성, 4. 그래핀을 전사층으로 활용해 다양한 기판에 나노 구조를 형성.

연구팀은 또 연성소재 특성을 이용, 초미세패턴을 이루기 어려운 3차원 굴곡진기판에서도 자유롭게 나타내는데도 성공했다.

이 기술은 여러 응용소자에 활용할 수 있고 화학반응으로 물질을 섞어주기만 하면 원하는 모양으로 스스로 배열해 값비싼 장비가 필요하지 않아 반도체 제작비를 많이 줄이게 됐다.

이번 연구의 핵심기술인 ‘분자조립’이란 플라스틱, 액정, 생체분자 등과 같이 딱딱하지 않고 부드러운 연성소재의 고분자를 원하는 형태로 스스로 배열하게 해 기존에 만들기 어려웠던 작은 나노구조물을 효율적으로 만드는 기술이다.

물과 기름이 서로 섞이지 않는 것처럼 서로 다른 두 고분자가 서로 분리돼 섞이지 않는다는 점을 이용했다.

김상욱 카이스트 신소재공학과 교수

연구팀은 기계적 물성이 뛰어나고 원하는 기판에 쉽게 옮길 수 있는 그래핀 위에 ‘블록공중합체’란 분자조립기술을 통해 초미세 패턴을 만든 뒤 이를 3차원 기판이나 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리디멜틸실론산(PDMS) 등과 같은 플렉시블기판에 옮겨 자유롭게 3차원이나 플렉시블 기판에 구조물을 나타낸다.

김상욱 카이스트 교수는 “지금까지 발표된 휘어지는 반도체는 온도에 약한 플라스틱 기판을 써서 극한 공정조건을 이겨낼 수 없어 상용화에 어려움이 많았다”며 “이번 기술은 기계적 물성이 우수한 그래핀을 회로기판으로 적용하는 데 성공한 획기적 연구성과”라고 말했다.

김 교수는 이어 “이번 연구에 대해 세계적으로 많은 관심을 받아 오는 20일 열리는 미국 물리학회에서 초청강연을 할 예정”이라며 “개발한 원천기술을 바탕으로 후속 연구를 해 반도체회로처럼 복잡한 회로설계에 도전할 것”이라고 포부를 밝혔다.

이번 연구결과는 재료분야 세계적 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’ 지난 3월6일자에 실렸다.

이영철 기자 panpanyz@