안종현‧임성일‧김관표 교수팀, 플라스틱 기판에서 이차원 반도체 직접 제조

플렉시블 디스플레이, 웨어러블 전자소자 등 광범위한 활용 기대

[사진. (윗줄 왼쪽부터) 안종현 교수(교신저자), 안투안 호앙 연구원(공동 1저자), 후루힝 연구원(공동 1저자), 김범진 연구원(공동 1저자), (아랫줄 왼쪽부터) 공주대 정운진 교수, 우리 대학교 임성일 교수, 우리 대학교 김관표 교수, 홍익대 송봉근 교수]

공과대학 전기전자공학과 안종현 교수, 이과대학 물리학과 임성일‧김관표 교수, 공주대 정운진 교수, 홍익대 송봉근 교수 공동 연구팀이 이차원 반도체 소재 이황화몰리브덴(MoS2) 합성에 필요한 온도를 150℃까지 낮추는 저온 성장 기술을 개발하고, 플라스틱 기판 위에서 이황화몰리브덴을 성장하는 데 세계 최초로 성공했다. 이 기술은 향후 다양한 유연 기판상에서 고품질 이차원 반도체 소재를 대면적으로 합성할 수 있는 기반이 될 것으로 기대된다.

대표적인 이차원 반도체 소재인 이황화몰리브덴은 그래핀과 같은 층상 결정 구조로 몰리브덴(Mo) 원자 1개에 황(S) 원자 2개가 결합한 물질로 1㎚ 미만 두께의 극도로 얇은 단일층 반도체를 만들 수 있다. 이황화몰리브덴은 기계적‧전기적‧광학적 성질이 우수해 차세대 반도체 소재로 주목받고 있지만, 고품질로 성장하기 위해서는 600~1000℃의 고온 조건이 요구된다.

하지만 초박막 유리는 일반적으로 400℃, 플라스틱 기판은 200℃ 이상의 온도에서 열화가 발생한다. 이에 따라 이황화몰리브덴 반도체 소재는 기존의 딱딱한 기판에서 성장한 후 유연한 기판상으로 옮기는 복잡한 전사 공정이 추가되고, 이 과정에서 품질이 낮아지는 문제가 있다. 따라서 초박막 유리, 플라스틱 기판과 같은 유연 기판상에서 이황화몰리브덴이 직접 성장할 수 있는 기술 개발이 필요한 상황이다.

이에 연구팀은 이황화몰리브덴의 성장 온도를 기존 600℃에서 150℃까지 대폭 낮추는 기술을 확보하는 데 성공했다. 이황화몰리브덴 성장에 사용되는 전구체를 하나로 합치는 아이디어를 통해 저온 전구체와 저온 MOCVD 장비를 개발했다. 또한 저온 성장된 고품질의 이황화몰리브덴 반도체를 추가적인 전사 공정 없이 유연한 초박막 유리, 플라스틱 기판상에서 고성능 트랜지스터, 논리회로, 집적소자 등의 전자소자를 구현해 플렉시블‧웨어러블 전자소자로서 광범위한 활용이 가능함을 증명했다.

[그림. 유연 기판(플라스틱, 초박막유리) 상에서 직접 성장된 MoS2와 이를 이용한 신축성 집적소자 제조 연구]

이번 연구 성과에 대해 안종현 교수는 “이황화몰리브덴의 저온 성장 기술은 기존 산업계의 반도체 후공정에 요구되는 온도 조건(400℃)에도 부합해 향후 2차원 소재의 플렉시블 디스플레이 등 다양한 산업에도 적용될 수 있을 것으로 기대한다.”고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자사업과 선도연구센터사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 국제 학술지 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)’에 7월 27일 게재됐다. 연구팀이 보고한 플라스틱 기판 상에서 MoS2를 성장하는 연구는 세계 최초의 기술로 그 중요성이 인정돼 ‘네이처 연구 브리핑(Nature Research Briefing)’에서 별도로 연구 내용을 소개했다.

논문정보

● 논문제목: Low-temperature growth of MoS2 on polymer and thin galss substrates for flexible electronics

● 논문주소: https://doi.org/10.1038/s41565-023-01460-w 

● 네이처 연구 브리핑: https://www.nature.com/articles/s41565-023-01465-5

용어설명

● 이차원 반도체: 수 ㎚ 원자가 한 겹으로 배열돼 있는 이차원 물질로 만든 고성능 반도체 기술.

● 기판: 전자소자, 반도체 회로 등의 제조에 사용되는 판. 대표적인 예로 반도체 공정에 사용되는 실리콘 웨이퍼 기판과 플렉시블‧웨어러블 전자소자 등에 사용되는 초박막 유리, 플라스틱 기판 등이 있다.

● 전구체: 반도체 공정 중 하나인 박막 증착 공정에서 박막의 재료로 사용되는 물질로, 여기서는 MoS2의 몰리브덴(Mo) 및 황(S)의 재료로 사용되는 물질이다.

● MOCVD: 금속 유기 원료를 사용해 기판 위에 박막을 형성시키는 화학증착법.