▲ 한국화학연구원 김현우 박사가 광땜질을 위한 레이저 조사를 준비하고 있다.

국내 연구진이 얇은 원자층으로 이루어진 이차원 반도체를 빛으로 땜질해 가공하는 차세대 반도체 기술을 개발, 향후 고용량 반도체 메모리, 투명 유연 디스플레이, 웨어러블 바이오 센서 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

한국화학연구원(원장 이미혜)은 한국화학연구원 김현우 박사, 한국표준과학연구원 신채호 박사, 전북대학교 김태완 교수 공동연구팀이 이차원 박막 반도체 표면 가공 기술을 개발했다고 21일 밝혔다.

이차원 박막 반도체는 그래핀처럼 얇은 두께, 투명성, 유연함 등의 장점을 가지고 있으면서도 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. 하지만 이차원 박막 반도체는 두께가 매우 얇아 손상이 잘 된다.

기존 가공기술인 열가공, 이온 주입, 플라즈마 등은 박막 표면이 손상되거나 원하는 위치에 패터닝하기 위해서는 추가비용과 공정이 필요하다. 또한 가공시간이 길어져 생산성이 떨어진다.

공동 연구팀이 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 쏘았는데 빛은 반도체 물질에는 영향을 주지 않으면서 인듐나노입자를 녹였다. 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.

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

연구책임자 김현우 박사는 “광땜질 기술을 이용해 향후 유연 투명 디스플레이, 고감도 바이오 센싱 기술 개발 등의 연구를 수행할 예정이다”고 말했다.

한편, 연구팀의 연구결과는 광과학·재료 분야 세계 최고수준 저널인 ‘Advanced Optical Materials’ (Impact factor: 10.05)에 올해 9월 게재됐다.

위 연구는 한국화학연구원 기본사업 및 소재 측정분석 서비스 사업(NRF), 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업, 전북대 한국연구재단 사업으로 공동 수행됐다.