전극에 액체금속 '필즈메탈' 흘려 2차원 반도체 성능 향상

국제학술지 '나노스케일' 7월호 표지 그림. 김영덕 경희대 물리학과 교수팀의 2차원 반도체 연구성과가 소개됐다. Nanoscale 제공

국내 연구팀이 녹는점이 낮아 액체금속으로 알려진 '필즈메탈(Field’s metal)'을 활용해 2차원(2D) 반도체의 전극 성능을 개선하는 데 성공했다. 연구결과는 향후 액체금속 기반의 플렉서블·웨어러블 소자나 양자컴퓨터, 인공지능(AI) 반도체 칩 개발에 기여할 것으로 기대된다.

김영덕 경희대 물리학과 교수팀은 필즈메탈의 자가전파(Self-Propagation) 현상을 활용해 2차원 반도체의 전기적 성능을 향상했다고 18일 밝혔다. 연구결과는 국제학술지 '나노스케일' 7월 표지논문으로 선정됐다.

양자컴퓨팅과 AI 기술 등이 빠르게 발전하면서 반도체 소자의 소형화·효율화가 주요 과제다. 2차원 반도체는 유연성과 투명성 등 물리적 특성이 뛰어나지만 금속 전극과의 접촉저항(contact resistance)이 높다는 점이 상용화의 걸림돌이다.

연구팀은 녹는점이 약 62℃로 다른 금속보다 훨씬 낮은 필즈메탈에 주목했다. 필즈메탈을 금속 전극 가장자리에 올리고 열을 가하면 액체가 된 필즈메탈이 전극의 모양을 따라 스스로 퍼져 나가는 자가전파 현상이 일어난다.

필즈메탈을 전극 위에 올리고 열을 가해 스스로 전극 모양으로 퍼지도록 하는 자가전파 과정을 설명한 그림(위)과 실제로 촬영된 모습. Han et al.(2025)/Nanoscale 제공

연구팀은 2차원 반도체 물질인 텅스텐셀레나이드(WSe2)에 필즈메탈을 올리고 자가전파로 새로운 전극을 형성했다. 필즈메탈에 포함된 반금속 성분이 전극의 저항을 줄이고 2차원 반도체와 전극의 접촉 저항을 감소시켰다. 전하 이동도도 향상된 것으로 나타났다. 간편한 방법으로 2차원 반도체 성능을 개선한 것이다.

개발된 기술은 기존 방식보다 10배 이상 얇은 약 200나노미터(nm, 1nm는 1억분의 1m) 크기의 전극을 정교하게 구현할 수 있다는 점도 주목할 만하다.

김 교수는 "복잡한 공정 없이도 2차원 반도체의 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 기술적 돌파구를 제시한 것"이라며 "이번 연구결과가 향후 휘거나 구부릴 수 있는 플렉서블 및 웨어러블 소자와 더불어 양자컴퓨터, AI 반도체 칩 개발까지 큰 기여를 할 수 있을 것"이라고 설명했다. 

<참고 자료>
- doi.org/10.1039/d4nr03845b

왼쪽부터 김영덕 경희대 물리학과 교수, 한광희 박사과정생, 이희연 박사과정생. 김영덕 교수 제공

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]