(울산=국제뉴스) 주영곤 기자 = 복잡한 공정 없이 기판에 2차원 반도체 소재 회로를 그려 낼 수 있는 기술이 나왔다. 친환경 용매에 반도체 소재와 가교제를 함께 넣어 패터닝하는 기술이다. 독성 유기용매를 대체하고, 공정을 거치면서 발생하는 소재 손상을 막아 고집적, 저전력 차세대 반도체 칩 상용화를 앞당길 공정 기술로 주목받고 있다.

UNIST 화학과 김봉수 교수팀은 연세대학교 조정호, 강주훈 교수팀과의 공동 연구를 통해 친환경 용매에 이황화몰리브덴 같은 2차원 반도체 소재와 가교제를 함께 넣어 기판 위에 직접 패터닝하는 기술을 개발했다고 지난 18일 밝혔다.

2차원 반도체 소재는 종이처럼 층상구조를 가진 소재 종류다. 반도체 칩의 집적도를 높이고, 전력 소모를 줄일 수 있을 것으로 기대되는 소재지만, 기존 반도체 공정으로는 민감한 2차원 소재를 손상 없이 잘 가공해 회로 형태로 찍어내기 힘들었다.

연구팀이 개발한 기술은 증착이나 식각과 같은 고온, 화학약품 처리 공정을 거치지 않고 2차원 반도체 소재로 된 회로를 직접 그려낼 수 있다. 친환경 알코올성 용매에 2차원 나노소재와 가교제를 섞어 회로를 그린 뒤, 자외선만 쪼여 주면 된다. 가교제가 자외선을 받으면 딱딱하게 굳어 나노 소재를 회로 형태로 고정시킨다. 회로를 제외한 가교제는 물로 씻어 쉽게 제거 할 수 있다.

2차원 소재를 균일하게 분산시키는 친환경 용매와 이 용매에 잘 녹는 가교제를 찾아내는 것이 공정 기술 개발의 관건이었다. 연구팀은 정량 분석 기법을 통해, 용매로는 이소프로판올을 선택하고, 기존 아자이드 가교제의 화학 구조를 변경해 이소프로판올에 잘 녹도록 설계했다. 아자이드 계열은 원래 알코올성 용매에 잘 녹지 않는다.

새 공정으로 제작한 이황화몰리브덴 트랜지스터는 전자 이동도 20.2 cm²/V·s,

임계전압 2.0 V, on/off 전류비 2.7×10⁶을 기록했다. 49개 트랜지스터를 배열한 어레이에서도 개별 트랜지스터 간 성능 편차 없이 60일 이상 안정적으로 동작했다.

또한 p형과 n형 2차원 소재를 동시에 하나의 기판 위에 패터닝해 NOT·NAND·NOR 논리회로와 SRAM 제작에도 성공했다. 이는 공정 기술의 상용화 가능성을 입증하는 성과다.

김봉수 교수는 “EL-QD 디스플레이 제작에 쓰이는 가교제 기반 자외선 패터닝 기술을 2차원 반도체 소재로 확장할 수 있음을 입증한 연구”라며 “2차원 반도체 소재를 기반으로 한 차세대 저전력, 고속 연산 반도체 칩 개발에 도움이 될 것”이라고 기대했다.

이번 연구는 UNIST 조완호 연구원, 연세대학교 곽인철 연구원, 김세진 연구원이 제 1저자로 참여했으며, 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼 (Advanced Materials)’ 온라인판에 실려 정식 출판을 앞두고 있다.

연구 수행은 삼성미래기술 육성사업의 지원을 받아 이뤄졌다.

(논문명: Direct Photopatterning of Green Solvent-Processed 2D Nanomaterials for Wafer-Scale Electronics )

※ 붙임: 연구결과 개요, 용어설명, 그림설명,

□ 연구 결과 개요

1. 연구배경

2차원 나노소재는 원자 두께 수준의 초박막 구조에서 기인한 독특한 물리적, 전기적 특성 덕분에 차세대 반도체 소재로 각광받고 있다. 그러나 정밀한 패턴 형성과 층간 적층을 구현할 수 있는 공정 기술의 부재로 인해 2차원 나노소재를 직접적으로 전자소자에 적용하기에는 한계가 뚜렷하다. 또한 기존 공정에서 주로 사용 되는 독성 유기용매에 분산된 2차원 나노소재는 산업적 활용에 제약이 크며 환경 및 공정 안정성 측면에서도 개선이 필요한 상황이다.

이를 해결하기 위해 김봉수 교수 공동 연구팀은 한센 용해도 지수(Hansen solubility parameter)분석을 활용해 2차원 나노소재와 가교제를 동시에 용해할 수 있는 알코올 기반 친환경 용매 시스템을 설계했다. 동시에 해당 친환경 용매에 최적화된 광반응성 가교제를 도입하여 친환경 조건에서도 2차원 소재의 정밀 광패터닝 공정을 구현하고자 한다.

2. 연구내용

본 연구에서는 알코올 기반 친환경 용매에 높은 용해도를 갖도록 아자이드 가교제의 리간드 구조를 개량해 개발한 2Bx-4EO 가교제를 도입하고, 2차원 나노소재를 해당 친환경 용매에 안정적으로 재분산함으로써 기존 독성 유기용매 사용으로 인한 산업적 제약을 극복하였다.

또한, 가교제 기반의 직접 광패터닝 공정을 통해 2차원 소재의 정밀한 패턴 형성 및 적층 공정의 난제를 해결하였다. 별도의 전사 공정 없이 하나의 기판 위에 p형과 n형 이차원 소재를 동시에 통합하여 NOT, NAND, NOR 등의 논리 회로 시스템은 물론 SRAM 회로까지 성공적으로 구현하였다. 제작된 전계효과 트랜지스터(반도체 소자의 일종)는 평균 전하 이동도 20 cm2 V-1 s-1 이상을 기록했으며, 최대 60일 이상 공기 중 노출 후에도 전기적 성능 저하가 거의 없는 전자소자 구현에 성공하였다.

3. 기대효과

본 연구는 2차원 나노소재의 실질적인 상용화 가능성을 한층 앞당기는 계기가 되었으며, 동시에 광가교 기반 패터닝 기술과 가교제의 적용 가능성을 차세대 반도체 소재 영역까지 성공적으로 확장했음을 입증했다.

□ 용 어 설 명

1. 2차원 나노소재 (2D nanomaterials)

원자 한두 겹 정도의 두께를 가진 층상 형태의 나노소재. 대표적으로 그래핀이나 이황화몰리브덴(MoS2) 등이 있음. 매우 얇은 두께로부터 기인한 우수한 전기/기계/광학적 특성으로 인해 차세대 반도체 소재로 주목받고 있음.

2. 한센용해도지수(Hansen Solubility Parameter)

물질 간 용해도나 상호작용 가능성을 수치로 예측할 수 있게 해주는 용해도 이론. 각 물질의 분산력, 극성, 수소결합 성분을 기반으로 용질과 용매가 얼마나 잘 섞일 수 있는지 판단할 수 있음.

3. 가교제

고분자 사슬을 ‘다리(bridge)’처럼 연결해주는 물질을 말한다. 빛이나 열에 반응하면 분자가 서로 결합해 망상 구조(network)를 형성하게 만든다. 디스플레이 공정에서는 자외선(UV)에 반응하는 가교제가 주로 쓰인다. 이번 연구에서는 기존 아자이드계 가교제를 개량해 친환경 용매(이소프로판올, 에탄올 등)에서도 잘 녹는 신규 가교제(2Bx-4EO)를 개발했다. 이를 통해 독성 용매를 쓰지 않고도 2차원 반도체 소재를 안정적으로 패터닝할 수 있었다.

4. 친환경 용매 (Green solvent)

화학 공정에서 사용되는 유기 용매 중 인체와 환경에 유해성이 낮고, 생분해성이나 재활용성이 높은 친환경 용매를 뜻함.

5. 리간드 (Ligand)

양자점 발광 소재나 나노소재 표면에 결합하는 작은 분자로, 소재의 화학적 안정성, 용해도, 반응성 등을 조절하는 역할을 함.

6. 논리 회로 시스템 (NOT, NAND, NOR)

Boolean algebra를 따르는 논리 연산 소자. 컴퓨터나 반도체 칩 내부 연산의 기초 단위로 사용됨.

NOT: 입력을 반대로 바꾸는 회로

NAND: 두 입력이 모두 1일 때만 0이 되는 회로

NOR: 두 입력이 모두 0일 때만 1이 되는 회로

7 SRAM (정적 랜덤 접근 메모리)

전원이 켜져 있는 동안 정보를 유지하는 메모리 소자. 2개의 NOT 회로로 구성되어 있음.

□ 그 림 설 명

그림1. 친환경 용매 기반 2차원 반도체 소재의 직접 패터닝 공정과 해당 공정으로 제작된 반도체 소자 (a) 개발된 공정으로 제작된 2차원 반도체 소자(전계효과 트랜지스터)의 구조 (b) 알코올계 친환경 용매에 높은 용해도를 갖도록 설계된 친환경 2Bx-4EO 가교제의 화학 구조. (c) C-H 삽입 반응을 통한 2차원 나노소재의 광가교 반응 메커니즘 (d)　정량(Hansen solubility parameter) 분석을 통한 친환경 용매 시스템 설계 (e) 2차원 나노소재의 고정밀 패턴화 (f) 가교제 도입을 통한 이차원 나노소재 기반 전자소자 제작 공정 흐름도, 스케일 바: 400 µm.

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