국내 연구진 차세대 반도체 소재 설계법 개발

포항공대 ·숭실대 연구팀… ‘사이언스’ 게재
원자 다르게 쌓아 소재 기능 바꾸는 방식

왼쪽부터 이대수·이길호·최시영 포항공대 교수와 박세영 숭실대 교수 공동연구팀이 원자층 조성 배열을 정밀하게 조절해 새로운 기능을 더하는 ‘선택적 원자 기울기’ 설계법을 개발했다. 과학기술정보통신부 제공

같은 양과 종류의 원자에서 쌓는 순서만 바꿔 새로운 기능을 더하는 소재 설계법을 국내 연구진이 개발했다. 다른 원소를 추가하지 않고도 재료의 본래 장점은 유지하면서 전기적 방향성과 높은 절연·온도 감지 성능을 구현해 차세대 반도체 절연막과 열 센서 기술 등에 활용될 전망이다.

과학기술정보통신부는 이대수 이길호 최시영 포항공대 교수와 박세영 숭실대 교수 공동연구팀이 원자층 조성 배열을 정밀하게 조절해 새로운 기능을 더하는 ‘선택적 원자 기울기’ 설계법을 개발했다고 2일 밝혔다. 연구 성과는 세계 최고 권위 학술지 ‘사이언스’에 게재됐다.

기존에는 소재에 새로운 기능을 더하기 위해 다른 원소를 섞거나 원소 비율을 바꾸는 방법을 사용해왔다. 문제는 이 과정에서 재료가 갖고 있던 좋은 성질이 약해지거나 사라질 수 있다는 점이다. 이에 연구팀은 ‘같은 원자를 어떤 순서로 쌓을 것인가’에 주목했다. 전자적 성질과 관련된 원자는 그대로 두고 크기가 다른 특정 원자의 조성 비율을 조정해 한쪽에는 큰 원자, 반대쪽으로 갈수록 작은 원자를 배치하는 ‘그라데이션’을 형성했다.

원자들이 한쪽으로 미세하게 치우치면서 재료 내부에는 ‘극성’이 형성됐다. 극성은 물질이 외부 자극에 새로운 방식으로 반응하게 만드는 기반이 된다. 해당 원리를 금속과 절연체에 적용한 결과, 금속 박막은 전기가 잘 흐르는 기존 성질은 유지하면서 전류 흐름에 따라 전기적 방향성을 조절할 수 있게 됐다.

약 5.1나노미터(㎚) 두께의 초박막 절연재료에서는 높은 전기 에너지 저장 능력을 유지하면서 누설전류가 크게 감소했다. 이는 차세대 반도체용 초박막 절연막의 새로운 설계 방식을 제시한 셈이다. 반도체를 미세화할수록 트랜지스터 내부 절연막도 더 얇아져야 하는데 기존 방식만으로는 전류가 새면서 전력 소모가 커졌기 때문이다.

온도 감지 성능도 향상됐다. 선택적 원자 기울기를 적용한 박막은 비슷한 두께의 일반 박막보다 미세한 온도 변화에도 큰 전기 신호를 만들어내며 약 100배 높은 성능을 보였다. 적외선·열 센서와 에너지 하베스팅 소자 등에 활용될 수 있다.

양윤선 기자 sun@kmib.co.kr

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