미래창조과학부는 글로벌 프런티어사업으로 추진 중인 하이브리드 인터페이스 기반 미래소재연구단 지원과제 일환으로 성균관대 유원종 교수(사진)가 ‘초박막 소재(MoS2ㆍ황화몰리브데늄)를 기반으로 한 두께 3나노미터(㎚)급(1㎚는 10억분의 1m) 반도체”를 세계 최초로 개발했다고 24일 밝혔다. 이번 연구결과는 이날 국제학술지인 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communcations) 온라인에 실렸다.
 |
| 3나노미터 두께의 2D 소재로 제작된 초미세 인터페이스 p-n 접합 반도체의 모식도. |
이에 따르면 유원종 교수 연구팀은 기존 3차원(3D) 구조의 규소로 만들어지는 반도체 소자와 달리 평면적으로 매우 강한 결합을 이루는 2차원(2D) 구조 소재인 황화몰리브데늄(MoS2)을 반도체 소재로 활용하여 수직형 p-n 접합소자를 제작하는데 성공했다. 반도체는 전기를 띠는 입자의 종류에 따라 p형과 n형으로 나눠지는데, 이 둘이 결합된 상태를 p-n 접합이라고 한다. p-n 접합을 기반으로 고성능 반도체가 만들어진다.
이번 기술의 핵심 소재인 황화몰리브데늄(MoS2)은 반도체 특성을 지니면서도 초박막구조를 형성할 수 있는 물질이다. 반도체가 매우 얇아지는 만큼 동작에 필요한 전압도 급격히 낮아져서 전력소모가 매우 작은 소자 제작이 가능하다. 특히, 기존의 3D 규소 반도체는 14㎚ 수준 이하로는 제작이 불가능했으나, 이번에 개발된 2D구조의 반도체 소자는 3㎚로 매우 얇으면서 에너지 소모도 4배 이상 적어 차세대 초소형ㆍ초절전형 반도체 소자로 사용될 수 있다.
 |
| (a-d) 2D 소재 기반 p-n 접합소자의 제작과정 및 (e-f) 집적된 2D 소재의 평면도 및 측면도 |
이번 연구는 MoS2 신물질이 차세대반도체로 사용될 수 있는 가능성을 세계 최초로 확인했으며, 반도체 소자 두께와 에너지소모를 4배 이상 줄이는 데도 성공했다. 이로 인해 현재 규소기반 반도체 소자의 중요한 걸림돌인 과다전력소모 문제를 극복할 수 있으며, 규소기반 반도체를 대체하여 초고효율 광소자 개발에도 중요하게 활용할 수 있을 것으로 기대된다고 연구팀은 밝혔다. 더 많은 성능을 더 작은 반도체에 집적시킬 수 있으며, 전력소모도 획기적으로 줄여 배터리 지속시간이 긴 모바일 및 웨어러블, 플렉서블 기기를 만들어낼 수 있다. 또 고효율 광검출소자와 고효율 광통신 등에도 적용될 수 있다.
유원종 교수는 “p-n 접합소자는 많은 반도체 전자회로의 기본 소자로 쓰이므로, 이러한 기본 소자를 이루는 물질이 2D 소재로 대체될 경우 미래의 초고속 반도체, 고효율 광전소자, 신개념 투명 유연소자 개발 및 응용 연구를 가속화할 것”이라고 밝혔다.연구팀은 상용화 가능 기간을 5~8년 후로 예상했으며, 현재의 세계 반도체 시장 규모에 버금가는 경제적 효과를 창출할 수 있다고 내다봤다. 또 2D 소재 기반 기술개발에 따른 초절전형 모바일 산업 발전 가속화 및 2D 소재 광검출기 기술개발에 따른 광통신 시장 규모의 확대에도 기여할 것으로 기대했다.
suk@heraldcorp.com
