실리콘 대체할 ‘2차원 반도체 소재’ 상용화 앞당긴다

국내 연구진, 2차원 반데르발스 재료의 미세구조 볼 수 있는 스캐너 개발

이재현 아주대 교수 연구진이 황동목 성균관대 교수, 김태훈 전남대 교수와 함께 다결정 2차원 반데르발스 재료의 미세구조를 정확하게 분석할 수 있는 ‘2차원 결정 스캐너 기술’을 개발했다./한국연구재단

국내 연구진이 실리콘을 대체할 차세대 반도체 기술의 핵심 소재로 주목받고 있는 2차원 반데르발스 재료의 상용화를 앞당길 분석 기술을 개발했다. 2차원 반데르발스 재료는 원자 한 층의 두께를 가진 평면 형태의 극박막 소재를 말한다.

한국연구재단은 이재현 아주대 첨단신소재공학과 교수 연구진이 황동목 성균관대 신소재공학부 교수, 김태훈 전남대 신소재공학부 교수와 함께 다결정 2차원 반데르발스 재료의 미세구조를 정확하게 분석할 수 있는 ‘2차원 결정 스캐너 기술’을 개발했다고 2일 밝혔다.

새로운 재료를 실제 제품에 적용하기 위해서는 미세구조를 살펴 재료 전반의 특성을 파악하는 기술이 먼저 개발돼야 한다. 하지만 2차원 반데르발스 소재의 경우, 두께가 원자층 수준에 불과해 X선 결정법이나 전자현미경과 같은 일반적인 미세구조 분석법을 사용할 수 없었다.

연구진은 서로 다른 2차원 반데르발스 소재를 각도가 다르게 겹쳐 쌓을 때 나타나는 무아레 무늬(Moire Pattern)와 그에 따른 광학적 특성 변화에 주목했다. 무아레 무늬는 규칙적으로 되풀이되는 무늬들이 합쳐졌을 때 나타나는 새로운 간격을 갖는 무늬다.

연구진은 미세구조의 결정 방향이 확인된 단결정 단층 그래핀 위에 미지의 다결정 그래핀을 쌓은 뒤 나타나는 변화를 라만분광법으로 분석했다. 라만분광법은 레이저가 분자와의 상호작용으로 산란하는 현상을 기반으로 구조를 분석하는 방법이다.

그 결과 미지의 다결정 그래핀 내부에 존재하는 여러 미세구조 정보가 광학필터로 활용된 단결정 단층 그래핀과 서로 다른 각도로 층층이 쌓인 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 어긋난 미세구조의 광학적 정보를 빠르고 정확하게 스캔해 이미지화할 수 있었다. 분석을 완료한 시편은 독자 기술을 활용해 ’포스트잇’을 떼는 것처럼 물리적 파괴 없이 깨끗하게 분리할 수 있었다.

이번 연구로 2차원 소재의 미세구조를 빠르고 정확하게 분석할 수 있게 되면서 소재에 대한 높은 신뢰성이 요구되는 분야의 어려움을 해결할 수 있을 것으로 기대된다. 이재현 교수는 “후속 연구를 통해 양산 공정에 적용이 가능한 실시간 고속 분석 기술로 발전이 가능할 것으로 예상된다”고 밝혔다.

이번 연구 성과는 재료 분야의 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 지난 4일 온라인 게재됐다.

참고 자료

Advanced Materials(2024), DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202400091

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