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NEW 이재현 교수팀, '차세대 반도체 소재' 상용화 앞당길 분석기술 개발
- 2024-05-07
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우리 학교 이재현 교수 연구팀이 이차원 반데르발스 재료의 상용화를 위한 분석 기술을 개발했다. 이차원 반데르발스 재료는 실리콘을 대체할 차세대 반도체 기술의 핵심 소재로 주목받고 있는 소재다.
아주대 이재현 교수(첨단신소재공학과, 사진 왼쪽)와 문지윤 박사후연구원(대학원 에너지시스템학과, 사진 오른쪽)은 합성된 다결정 이차원 반데르발스 재료의 미세구조를 정확하게 분석할 수 있는 ‘2D 결정 스캐너 기술’을 개발했다고 밝혔다.
해당 내용은 ‘Nondestructive Single-Atom-Thick Crystallographic Scanner via Sticky-Note-Like van der Waals Assembling–Disassembling’라는 제목의 논문으로 재료 분야 국제 학술지 <어드벤스드 메터리얼즈(Advanced Materials)> 4월호에 온라인 게재됐다. 황동목 성균관대교수, 김태훈 전남대 교수도 연구에 참여했다.
이차원 반데르발스 재료(2D van der Waals Materials)란, 원자 한 층의 두께를 가진 평면 형태의 극박막 소재로 나노급 선폭과 두께를 가진 초고집적 반도체 내에서 높은 물리적, 화학적 물성 및 안정성을 유지할 수 있어 실리콘을 대체할 수 있는 유력한 후보로 주목받고 있다. 그래핀도 이차원 재료 중 하나다.
이차원 반데르발스 재료는 차세대 소재로 주목받고 있으나, 재료 전반의 특성을 파악할 수 있는 미세구조를 정확하게 분석할 수 있는 기술이 존재하지 않았다. 새로운 재료를 실제 제품에 적용하기 위해서는 분석 기술이 필요하지만, 이 재료의 경우 두께가 원자층 수준에 불과해 일반적으로 사용되는 미세구조 분석법(x선 결정법, 전자현미경 등)의 직접 적용이 불가능하다.
이에 연구팀은 서로 다른 이차원 반데르발스 소재를 각도가 다르게 겹쳐 적층할 때 나타나는 무아레 무늬(Moire Pattern)와 그에 따른 광학적 특성 변화에 주목했다. 무아레 무늬(Moire Pattern는 규칙적으로 되풀이되는 무늬들이 합쳐졌을 때 나타나는 새로운 간격을 갖는 무늬를 말한다.
연구팀은 미세구조의 결정 방향이 확인된 단결정 단층 그래핀을 광학필터로 활용, 그 위에 합성된 미지의 다결정 그래핀을 반데르발스 힘(van der Waals force)을 이용해 적층한 후 나타나는 변화를 라만분광법으로 분석했다. 분석 결과, 미지의 다결정 그래핀 내부에 존재하는 여러 미세구조 정보들이 광학필터로 활용된 단결정 단층 그래핀과 서로 다른 각도로 적층된 것을 확인했으며 이를 통해 어긋난 미세구조의 광학적 정보를 빠르고 정확하게 스캔해 이미지화할 수 있었다.
또한, 분석을 완료한 시편은 원자-스폴링(Atomic-Spalling) 기술을 통해 ‘포스트잇’을 떼는 것처럼 물리적 파괴 없이 깨끗하게 분리했다.
이재현 교수는 “반도체 소자의 크기가 점점 작아지고 있고, 원자 수준의 작은 스케일에서 현 수준 이상의 반도체 소자 성능을 내기 위해서는 구조 혁신과 함께 소재 혁신이 이뤄져야 한다”며 “이차원 반데르발스 소재가 ‘소재 혁신’의 키를 쥐고 있다”라고 설명했다.
이어 이 교수는 “이번 연구를 통해 이차원 소재의 미세구조를 빠르고 정확하게 분석할 수 있게 되어, 소재에 대한 높은 신뢰성이 요구되는 분야의 어려움을 해결할 수 있을 것”이라며 “후속 연구를 통해 양산 공정에 적용이 가능한 실시간 고속 분석 기술로 발전할 것으로 기대한다”라고 덧붙였다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 이공분야 중견연구자 지원사업으로 수행됐다.
아주대 공동 연구팀이 제안한 새로운 미세구조 분석 기술. 2D 결정 스캐닝은 다음의 과정으로 진행된다. (i) 결정 방향이 정의된 단결정 광학필터 준비 (ii) 단결정 광학필터와 미지의 이차원 소재의 반데르발스 적층 (iii) 분광학적 분석을 통해 빠르고 정확한 미세구조 스캔 (iV) 스캔이 완료된 시편을 원자-스폴링 기술을 통해 비파괴적으로 분리한 후 원하는 기판으로 전사.