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차세대 반도체의 비밀 ‘공중부양’ 기술 개발했다

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2018년 04월 24일 18:40 프린트하기

돔 구조체 이용한 2차원 반도체 제작 개념도 -사진 제공 KAIST
돔 구조체 이용한 2차원 반도체 제작 개념도 -사진 제공 KAIST

현실이 번잡할 땐 속세를 떠나는 게 상책이다. 반도체도 비슷하다. 기판 등 주변 물질 때문에 간섭을 많이 받는다면, 기판으로부터 높이 띄워 ‘공중부양’시키면 된다.


임순민 KAIST 재료공학부 연구원팀은 기존 실리콘 반도체의 대안으로 주목 받는 ‘2차원 반도체’를 나노 구조체를 이용해 공중에 띄우는 기술을 개발했다. 전자 이동 능력을 기존의 2배 이상, 빛 감지 능력은 10배 이상 향상시킬 수 있다. 기존 반도체의 물리적 한계를 극복할 대안이 될지 주목된다.


2차원 반도체는 이황화몰리브덴 등의 재료로 만든, 두께가 0.65nm(나노미터, 1nm는 10억 분의 1m)인 매우 얆은 반도체다. 두께가 원자 1개정도로 얇아 투명하고, 빛을 흡수하거나 방출하는 효과가 뛰어나며 유연하다. 실리콘으로 만든 기촌 반도체의 한계를 극복할 대안으로 연구되고 있다. 하지만 얇은 만큼 반도체가 놓인 기판 등 주변 물질로부터 신호나 물질 등이 날아와 간섭을 많이 받는다는 단점이 있었다.

 

논문 제1저자인 임순민 KAIST 재료공학부 연구원과 정연식 교수. -사진 제공 KAIST
논문 제1저자인 임순민 KAIST 재료공학부 연구원과 교신저자 정연식 교수. -사진 제공 KAIST

임 연구원팀은 기판으로부터 받는 영향을 최소화하기 위해, 반도체를 공중에 띄우는 방법을 떠올렸다. 이를 위해서는 마치 필로티 건물의 기둥처럼 반도체를 지탱할 안정적인 구조물이 필요하다. 연구팀은 기판 위에 나노 크기의 돔 구조를 산화규소로 만드는 방안을 고안했다. 나노 돔 구조를 기판 표면에 여러 개 촘촘히 붙인 뒤, 돔의 맨 꼭대기 부분을 이용해 2차원의 평평한 반도체를 지탱시켰다. 돔 구조는 속이 비어 있으니 내부의 90%는 텅 빈 공간이다. 사실상 반도체가 허공에 뜬 것과 다를 바 없다. 임 연구원팀은 이 위에 반도체 회로를 올려 전자의 이동 능력과 빛 감지 능력을 각각 2배와 10배씩 획기적으로 개선시켰다.


연구팀은 공중부양을 위한 나노 돔 구조를 대량으로 '건설'할 수 있는 효율적인 기술도 개발했다. 실제 건물의 벽돌에 해당하는 고분자 블록 물질을 두 종류 만들었다. 그 뒤 블록들이 스스로 결합되는 환경을 만들어 빠르고 안정적으로 원하는 구조를 만드는 데 성공했다.


연구 총책임자인 정연식 KAIST 신소재공학과 교수는 “2차원 반도체는 물론 금속성 2차원 소재인 그래핀 제조 등 다양한 분야에 적용할 수 있는 기술”이라며 “차세대 유연디스플레이용 트랜지스터나 광 검출기의 핵심 소재 제작에 활용할 수 있을 것”이라고 말했다.
 

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