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보도자료 |
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배포일 |
2022년 10월 21일(금) |
엠바고 |
온라인 : 10.21(금) 낮 12시부터 지 면 : 10.22(토) 조간부터 |
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문 의 |
연구부서 |
의약바이오연구본부 김현우 선임연구원(042-860-7279, 010-8398-0797) 화학플랫폼연구본부 노예철 책임연구원(042-860-7720, 010-2500-2170) |
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홍보부서 |
과학확산실 양경욱 실장(042-860-7998, 010-5564-1700) 과학확산실 김용은 선임행정원(042-860-7825, 010-3028-1186) |
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얇은 이차원 반도체를 광(光)땜질로 가공하는 차세대 반도체 기술 개발 - 원자층 단위의 이차원 박막 반도체 표면 가공 기술 개발 - 광과학·재료 분야 유수저널‘Advanced Optical Materials’9월호 논문 게재 |
□ 얇은 원자층으로 이루어진 이차원 반도체를 빛으로 땜질해 가공하는 차세대 반도체 기술이 개발됐다. 향후 고용량 반도체 메모리, 투명 유연 디스플레이, 웨어러블 바이오 센서 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
◯ 이차원 박막 반도체*는 그래핀처럼 얇은 두께, 투명성, 유연함 등의 장점을 가지고 있으면서도 그래핀과 달리 반도체 성질을 띠고 있어 2010년 첫 발견 이후 차세대 디스플레이, 광센서 소자, 반도체 소자로 주목받고 있다.
* 전이금속-칼코겐 원소들로 이루어진 화합물
◯ 이차원 박막 반도체를 반도체 소자 등으로 활용하기 위해서는 표면에 패턴·회로를 만드는 기술, 즉 실시간 패터닝 가공 기술*이 필요하다. 하지만 이차원 박막 반도체는 두께가 원자층(단층두께 ~0.62 nm) 정도로 매우 얇아 손상이 잘 된다는 한계를 가지고 있다.
* 반도체 물질이 제품에 적용되기 위해서는 전자의 이동을 활성화하거나 제어할 수 있도록 해야 한다. 이에, 전자의 활동 에너지 범위(밴드갭)를 위치별로 조절할 수 있는 패터닝 가공 기술이 꼭 필요하다.
◯ 기존 반도체 가공기술인 열가공, 이온 주입, 플라즈마 등은 박막 표면이 손상될 위험이 있다. 또한 원하는 위치에 패터닝하기 위해서는 추가비용과 공정이 필요하다. 가공시간이 수 분에서 수 시간까지 길어져 생산성이 떨어지는 단점도 있다.
□ 한국화학연구원 김현우 박사, 한국표준과학연구원 신채호 박사, 전북대학교 김태완 교수 공동연구팀은 이차원 박막 반도체 위에 레이저 빛을 쏘아서 납땜질하듯이 패터닝하는 가공 기술을 개발했다. 이 기술은 박막 반도체 손상 없이, 수초 내에 거의 실시간으로 원하는 곳에 패터닝할 수 있어 응용 가능성이 매우 높다.
◯ 연구팀은 이차원 박막 반도체 밑에 인듐나노입자를 깔고 특정 세기의 빛을 쏘았다. 빛은 반도체 물질에는 영향을 주지 않으면서 인듐나노입자를 녹인다. 녹은 인듐나노입자는 그 위의 반도체 물질을 끌어당겨 함께 붙어버린다. 이때 반도체 표면이 패이면서 굴곡 구조, 즉 패턴이 형성된다. 이렇게 패터닝된 곳은 전자의 활동 에너지 범위(밴드갭)가 달라지면서 물질의 특성이 부분적으로 변한다.
▲ 광땜질로 박막 반도체를 패터닝하는 가공 기술 과정
◯ 광땜질로 가공된 이차원 박막 반도체의 표면 구조는 빛과 상호작용할 수 있어, 차세대 광전소자*, 바이오 센서 등에 활용될 수 있다. 특히 빛의 위치나 세기, 조사 시간 등에 의해 표면 구조가 달라져서 원하는 성질로 다양하게 가공할 수 있다.
* 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 소자
◯ 연구팀의 연구결과는 광과학·재료 분야 세계 최고수준 저널인 ‘Advanced Optical Materials’ (Impact factor: 10.05)에 올해 9월 게재되었다.
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▲ 광땜질한 부분이 굴곡으로 패여있는 것을 보여주는 투과전자현미경 단면 |
▲ 결점구조의 현미경 영상 |
▲ 원자탐침 현미경 영상 |
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▲ 원자탐침 현미경으로 굴곡의 깊이를 측정한 결과, 레이저 빛의 세기에 따라 결점구조의 깊이와 크기가 변화하고 있다 |
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□ 연구책임자 김현우 박사는 “광땜질(optical soldering) 기술은 입사광을 조절해 패터닝과 물질 특성을 정밀하게 가공할 수 있으며, 수 초 이내에 실시간 가공할 수 있기 때문에 응용 가능성이 매우 높다. 광땜질 기술을 이용해 향후 유연 투명 디스플레이, 고감도 바이오 센싱 기술 개발 등의 연구를 수행할 예정이다.”고 말했다.
◯ 위 연구는 한국화학연구원 기본사업 및 소재 측정분석 서비스 사업(NRF), 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업, 전북대 한국연구재단 사업으로 공동 수행됐다.
연구 관련 이미지 및 사진 |
□ 박막반도체 결점구조 생성 및 밴드갭 가공을 위한 광땜질 기술 |
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그림 설명 : 레이저 빛을 쏘면, 얇은 막 아래에 있는 인듐나노입자(그림 속 동그란 알맹이)가 녹으면서 위에 있던 박막과 붙어버려 박막 반도체의 표면이 패이며 굴곡이 생기는 모습 - 논문명(영) : Optical soldering of MoS2 layers for defect structure formation with induced photoluminescence - 논문명(국) : 광땜질을 이용한 MoS2 박막반도체의 광발생 결점구조 생성기술 |
□ 광땜질에 의해 형성된 광발생 결점구조 발광 특성 |
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▲ 광땜질에 사용 된 레이저광의세기 및 가공시간에따른 이차원박막반도체 발생 빛(PL: photoluminescence)의 파장 및 세기 변화. 반도체에서 발생하는 PL은 반도체의 특성, 즉 밴드갭과 밀접한 관련이 있다. |
▲ 광땜질을 위한 레이저 조사 준비 사진(화학연 김현우 박사)
▲ 광땜질된 이차원 박막 반도체(실물)
