“차세대 반도체 기술 핵심 소재 ‘상용화’ 발판 마련”

이차원 반데르발스 재료(2D van der Waals Materials)의 상용화를 위한 분석기술이 국내에서 개발됐다. 이 재료는 실리콘을 대체할 차세대 반도체 기술의 핵심 소재로 주목받는다.

한국연구재단은 이재현 아주대 교수 연구팀이 황동목 성균관대 교수, 김태훈 전남대 교수와 함께 합성된 다결정 이차원 반데르발스 재료의 미세구조를 정확하게 분석할 수 있는 ‘2D 결정 스캐너 기술’을 개발했다고 2일 밝혔다.

이재현 아주대 교수. 한국연구재단 제공

이차원 반데르발스 재료는 원자 한 개 층의 두께를 가진 평면 형태의 극박막 소재로, 나노급 선폭과 두께를 가진 초고집적 반도체 안에서 물리·화학적 물성 및 안정성을 유지할 수 있어 실리콘을 대체할 수 있는 유력한 후보로 주목받는다. 그래핀도 이차원 재료 중 하나

다만 새로운 재료를 실제 제품에 적용하기 위해서는 재료 전반의 특성을 파악할 미세구조를 정확하게 분석하는 기술이 선행적으로 개발돼야 한다.

하지만 그간 이차원 반데르발스 소재는 두께가 원자층 수준에 불과해 일반적으로 사용하는 미세구조 분석법(X선 결정법 및 전자현미경 등)의 직접적인 적용이 불가능했다. 합성된 이차원 반데르발스 소재의 상용화를 위해서는 미세구조를 정확하게 분석할 수 있는 기술이 필요했던 상황이다.

연구팀이 개발한 기술은 이러한 한계를 극복, 이차원 반데르발스 재료의 상용화에 한 발자국 다가설 수 있게 했다는 점에서 의미를 갖는다.

우선 연구팀은 기술을 개발하는 과정에서 서로 다른 이차원 반데르발스 소재를 각도가 다르게 겹쳐 적층할 때 나타나는 무아레 무늬(Moire Pattern)와 그에 따른 광학적 특성 변화에 주목했다. 무아레 무늬는 규칙적으로 되풀이되는 무늬를 합쳤을 때 나타나는 새로운 간격의 무늬를 말한다.

연구팀은 무아레 무늬와 광학적 특성에서 확인된 미세구조의 결정 방향의 단결정 단층 그래핀을 광학필터로 활용, 그 위에 합성된 미지의 다결정 그래핀을 반데르발스 힘(전기적으로 가까운 거리의 중성 분자가 서로를 끌어당기는 힘)으로 적층한 후 변화를 라만분광법으로 분석했다.

이재현 아주대 교수 연구팀이 개발한 ‘2D 결정 스캐너 기술’ 도식화 자료. 한국장학재단 제공

이 결과 미지의 다결정 그래핀 내부에 존재하는 여러 미세구조 정보가 광학필터로 활용된 단결정 단층 그래핀과 서로 다른 각도로 적층된 것을 확인했고, 이를 통해 어긋난 미세구조의 광학적 정보를 빠르고 정확하게 스캔해 이미지화할 수 있었다.

또 분석을 완료한 시편은 원자-스폴링 기술로 ‘포스트잇’을 떼는 것처럼 물리적 파괴 없이 깨끗하게 분리했다. 원자-스폴링 기술은 연구팀의 독자적 기술로, 약한 반데르발스 힘으로 층층이 쌓인 구조의 이차원 반데르발스 결정에서 발생하는 균열의 깊이와 방향을 원자 두께 수준에서 제어할 수 있게 한다.

연구팀은 이번 성과가 대면적으로 합성된 이차원 소재의 미세구조를 신속·정확하게 분석할 수 있게 해 높은 신뢰성이 요구되는 소재 분야에서 적극적으로 활용될 것으로 기대한다.

이재현 교수는 “이번 연구 성과는 기존 이차원 반데르발스 소재 분석·접근 방법의 한계를 극복, 비파괴적이면서 신속·정확하게 분석할 수 있는 기술로 향후 이차원 반데르발스 소재의 양산화에도 기여하게 될 것”이라며 “현재 연구팀은 후속 연구를 통해 연구 성과물을 양산 공정에 적용할 수 있는 ‘실시간 고속 분석 기술’로 발전시키는 방안에 주목하고 있다”고 말했다.

한편 연구팀은 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 이공분야 중견 연구자 지원 사업의 일환으로 연구를 수행했다. 이번 연구 성과는 지난달 4일(온라인) 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에도 게재됐다.