손상된 기능 스스로 회복하는 자가치유 2차원 반도체 소자 개발

성균관대 차승남 교수 등 공동연구팀
결함치유 통해 소자 성능 획기적 높여

자가치유 반도체 소자 개발(성균관대 박상연 박사후연구원 제공)© 뉴스1

(대전=뉴스1) 심영석 기자 = 손상된 기능을 스스로 치유하는 초박막 반도체 소자가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

자가치유 특성을 통해 반도체 소자의 성능을 획기적으로 늘릴 단초가 될 것으로 기대된다.

26일 한국연구재단에 따르면 성균관대 차승남 교수 연구팀이 Δ한국화학연구원 장승훈 박사 Δ국민대 홍승현 교수와 공동연구를 통해 기존 금속전극 대신 2차원 황화구리 (CuS) 전극을 새롭게 제안했다.

또, 이를 통해 자가치유 특성을 갖는 2차원 이황화몰리브덴(MoS₂) 기반 전자소자를 제작해 소자의 성능을 크게 개선하는 데 성공했다.

2차원 반도체 소재는 유연성과 투명성 등으로 인해 차세대 반도체 소재로서 주목받고 있다.

하지만, 원자층 수준의 얇은 두께로 인해 반도체 소자 제작 공정에서 손상되기 쉽다.

특히, 전극과 2차원 반도체 계면의 결함과 변칙성으로 인해 전자의 효과적인 이동이 어려워져 소자 특성이 크게 저하될 수 있다.

이에 연구팀은 2차원 반도체 소재 결함의 자가치유 성능을 지니는 전극-반도체 소재 시스템을 개발했다.

2차원 이황화몰리브덴의 결함은 대부분 황 원자의 결핍에 의해 발생된다.

황화구리 전극은 소재 내에 존재하는 잉여 황 원자를 2차원 이황화몰리브덴의 황 원자 결핍 부위에 공급하여 결함을 치유한다.

이러한 결함의 치유는 2차원 반도체 소재 내의 전하 이동을 원활하게 해 소자 특성을 향상시킨다.

연구팀은 결함 치유의 작동기작을 다양한 전기적, 분광학적 분석 및 제 1 원리 계산법(양자화학에 기본 바탕을 둔 계산화학방법)을 통해 규명했다.

그 결과, 자가치유 기능을 포함하는 2차원 이황화몰리브덴 기반 트랜지스터 소자는 후면 게이트 구조에서 현재까지 보고된 가장 높은 전자이동도를 달성했다.

또, 소자의 높은 전자이동도와 광민감도를 나타내 차세대 유연·웨어러블 기기의 핵심 소자로서의 활용 가능성을 높였다.

연구팀은 자가치유 특성을 다양한 반도체 소자 적용할 수 있는 소재의 범위를 확장하고, 이의 성능 안정성을 개선하는 후속연구를 지속할 계획이다.

한편, 이번 연구 성과는 소재 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼스’ 4일자 온라인판에 표지논문으로 게재됐다.

km5030@news1.kr