성균관대 기계공학부 이창구 교수

대면적 2차원반도체 무결점 전사법 개발

2005년 처음 등장하여 2010년에 노벨물리학상이 수상된 그래핀은 빠른 전하이동도와 높은 전기전도도, 기계적 강도, 화학적 우수성, 광학적 우수성 등으로 인해 지난 10여년간 수많은 연구가 이루어져왔으며 현재는 상업화에도 많은 진전을 이루고 있다. 이러한 뛰어난 장점들에도 불구하고 전자밴드갭이 없어 2차원소재의 연구초기에 기대했던 전자소재로서의 가능성에 대해서는 회의적인 시각이 지배적이 되었다. 이에 대한 돌파구로써 이황화몰리브덴을 위시한 2차원 반도체 소재들이 2010년이후에 각광을 받으며 많은 연구들이 이루어져오고 있다. 이들은 그래핀과 달리 기존의 반도체 소재인 실리콘정도의 전자밴드갭을 가지고 있고 상대적으로 높은 전하이동도를 지니고 있어 차세대 다양한 반도체소자들의 소재가 될 것으로 예상되고 있다. 뿐만 아니라 원자수준의 얇은 두께로 인해 현재 개화되기 시작한 플렉시블 전자기기의 주요 소재가 될 가능성이 높아 보인다. 하지만, 이러한 2차원반도체소재의 상업화를 위한 대면적 합성법 또는 플라스틱과 같은 유연기판상으로 전사하는 기술은 상당히 미흡한 단계에 머물고 있다. 

본 연구팀에서는 원자수준으로 얇은 2차원반도체소재를 생산가능한 수준의 웨이퍼크기로 합성하는 방법뿐만 아니라 플라스틱 유연기판에서 고품질의 전자소자들을 직접 제작할 수 있도록 전사공정을 개발하였다. 먼저 2차원반도체는 주로 600도씨 이상의 고온에서 합성되므로 실리콘 기판에서 합성한 후, 이를 에폭시접착제를 이용하여 플라스틱 기판으로 전사한다 (그림1 참조). 이 과정에서 플라스틱기판 위에 액상의 에폭시접착제를 부은 후 합성된 2차원반도체를 접착하고 굳힌다. 그리고, 이를 물에서 분리시키면 한 단계의 전사공정으로 전사가 마무리된다. 그리고, 물에서 분리시킬 시, 2차원반도체의 소수성으로 인해 거의 에너지를 소모하지 않고도 쉽게 분리가 가능하게 된다. 기존의 2차원소재의 전사공정은 성장된 기판을 대부분 에칭하거나 임시기판에 먼저 전사한 후 최종적으로 타겟기판에 전사하는 2단계 전사를 거치게 된다. 이 과정에서 2차원소재는 화학물질이나 기계적 압력으로 인해 쉽게 손상을 받아 전사된 소재의 품질이 상당히 떨어지는 단점들이 있었다. 그러나, 본 연구팀에서 개발된 전사법은 이러한 손상이 전혀 없이 전사전과 전사후의 품질이 거의 완벽하게 똑같을 정도로 결점이 없는 것으로 확인되었다. 이는 첫째로 전사후에도 유지되는 원자수준에 근접한 평판도(아래 그림2 참조)와 이물질이 남지 않는 전사공정 때문인 것으로 파악된다. 본 전사법은 다양한 종류의 2차원반도체를 대면적으로 전사하여 차세대 플렉시블 디스플레이, 센서, 논리회로 등의 다양한 전자기기에 적용될 수 있으며, 개발과정을 거쳐 상업적인 공정으로도 적용될 수 있을 것으로 예상된다.