전남대학교는 김태훈 신소재공학부 교수팀이 차세대 반도체 재료인 '반데르발스' 상용화를 위한 핵심 기술을 개발했다고 13일 밝혔다.
김 교수는 이재현 아주대 교수, 황동목 성균관대 교수와의 공동연구를 통해 '이차원(2D) 반데르발스' 재료 상용화를 위해 2D 결정 스캐너 분석기술을 개발했다.
2D 반데르발스 재료는 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 2D 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 기술을 통해 '포스트잇'을 떼는 것처럼 물리적 파괴 없이 깨끗하게 분리하는데 성공했다. 대면적으로 합성된 2D 소재의 미세구조를 빠르고 정확하게 분석할 수 있게 되면서 소재에 대한 높은 신뢰성이 요구되는 분야의 어려움을 해결할 수 있다는 데 의의가 있다. 후속 연구를 통해 양산 공정에 적용이 가능한 실시간 고속 분석기술로 발전할 가능성을 제시할 계획이다.
이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 우수신진연구사업으로 수행됐으며, 재료분야 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈' 온라인판에 게재됐다.
광주=김한식 기자 hskim@etnews.com
