김태훈 전남대 교수 공동연구팀, 차세대 반도체 소재 '반데르발스' 상용화 기술 개발

미지의 이차원 소재의 2D 결정 스캐닝 전과정./사진제공=전남대학교

전남대학교는 김태훈 교수 공동 연구팀이 차세대 반도체 재료인 '반데르발스' 상용화를 위한 핵심 기술을 개발했다고 13일 밝혔다.

김태훈 교수(신소재공학부)는이재현 아주대 교수, 황동목 성균관대 교수와 공동연구를 통해 '이차원 반데르발스' 재료 상용화를 위한 2D 결정 스캐너 분석기술을 개발했다.


이차원 반데르발스 재료(2D van der Waals Materials)는 실리콘을 대체할 수 있는 유력한 후보로 평가받고 있다. 원자 한 층의 두께를 가진 평면 형태의 극박막 소재로 나노급 선폭과 두께를 가진 초고집적 반도체 내에서 높은 물리적, 화학적 물성 및 안정성을 유지할 수 있기 때문이다.

반데르발스와 같은 이차원 재료 중에는 그래핀도 있다. 다만, 이차원 반데르발스 소재는 두께가 원자층 수준에 불과해 일반적으로 사용되는 미세구조 분석법(X선 결정법 및 전자현미경 등)을 적용할 수 없다는 문제가 있다.

연구팀은 서로 다른 이차원 반데르발스 소재를 각도가 다르게 겹쳐 적층할 때 나타나는 무아레 무늬(규칙적으로 되풀이되는 무늬들이 합쳐졌을 때 나타나는 새로운 간격을 갖는 무늬)와 그에 따른 광학적 특성 변화에 주목했다.


미세구조의 결정 방향이 확인된 단결정 단층 그래핀을 광학필터로 활용하면서 그 위에 합성된 미지의 다결정 그래핀을 반데르발스 힘(가까운 거리에 있는 전기적으로 중성인 분자들이 서로 끌어당기는 힘)을 이용해 적층한 후 나타나는 변화를 라만분광법으로 분석했다.

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

연구팀은 분석을 완료한 시편은 원자-스폴링(Atomic-Spalling) 기술을 통해 '포스트잇'을 떼는 것처럼 물리적 파괴 없이 깨끗하게 분리하는 데 성공했다.

이는 대면적으로 합성된 이차원 소재의 미세구조를 빠르고 정확하게 분석할 수 있게 되면서, 소재에 대한 높은 신뢰성이 요구되는 분야의 어려움을 해결할 수 있다는 데 의의가 있다. 또 후속 연구를 통해 양산 공정에 적용이 가능한 실시간 고속 분석기술로 발전할 가능성을 열었다는 큰 의미도 있다.

이 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 우수신진연구사업으로 수행됐으며, 재료분야 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈' (Advanced Materials, 영향력지수 29.4, JCR 상위 2.3%)에 지난 4일 온라인판으로 게재됐다.