UNIST가 무어의 법칙의 물리적 한계를 극복할 수 있는 차세대 반도체 소재를 개발하며, 향후 2차원 반도체뿐만 아니라 봉지막, 멤브레인, 차세대 이차전지 전극 소재, 양자 광원 등 개발에 혁신을 줄 것으로 기대를 모으고 있다.

UNIST는 최근 케임브리지대학과 차세대 고집적 반도체에 들어갈 2차원 절연체 소재 합성 기술을 개발하고, 최고 권위 과학 저널인 Nature지에 공개했다고 2일 밝혔다.

이번 기술은 2년마다 반도체 칩의 미세소자 집적도가 2배씩 증가한다는 ‘무어의 법칙’의 물리적 한계를 극복할 기술로 주목받고 있다.

UNIST, 케임브리지대학 공동 연구팀은 화학기상증착 방법을 이용해 단결정 니켈(Ni(111)) 기판 위에서 대면적으로 삼중층 hBN 단결정 박막을 에피택시 성장(epitaxy growth)시켰다.

단결정 니켈 기판 표면에 보라진(borazine) 전구체를 고온에서 노출시켜주면 작은 hBN 결정 조각들이 만들어지고 시간이 지남에 따라 결정 조각들이 커지면서 단결정 박막으로 합쳐지는 과정이 주사전자현미경(SEM)으로 관찰됐다.

또한 원자힘현미경(AFM)으로 박막의 두께와 대면적에서 박막의 균일도가 라만 분광(Raman spectroscopy) 분석법으로 확인됐다.

투과전자현미경(TEM) 관찰을 통해 성장된 삼중층 hBN이 단결정 니켈과 에피택시 관계로 성장됐으며, 원자 배열 또한 규칙적이고 하나의 배향을 갖는 단결정임이 확인됐다.

실험결과를 바탕으로 이론적인 계산을 통해 단결정 니켈 표면에 존재하는 스텝 엣지(step edge)에 의해 hBN 결정이 특정한 한가지 배향으로만 만들어진다는 것이 규명됐다.

연구팀은 또한 삼중층 hBN 단결정 박막이 수소발생촉매에 보호층으로 작용하는 것과 2차원 반도체 소재인 이황화몰리브덴(MoS2) 기반의 반도체 소자에서 의도하지 않은 도핑을 방지해주는 배리어(barrier) 역할로 작용하는 것을 보였다.

신현석 교수는 “수년간 질화붕소 박막 합성 연구를 진행하면서 얻은 노하우로 2차원 절연체 소재인 육방정계 질화붕소를 단결정 다층 박막 형태로 합성해 낼 방법을 찾아냈다”며 “최근 육방정계 질화붕소가 봉지막(보호막), 멤브레인(수소연료전지 전해질막), 차세대 이차전지 전극 소재, 양자광원 등의 소재로 쓸 수 있다는 연구 결과들이 보고된 만큼 원천 기술 확보를 위해서는 고품질 육방정계 질화붕소 생산 기술에 대한 적극적인 연구가 필요하다”고 전했다.

이번 연구는 UNIST 화학과 신현석 교수팀, 신소재공학과 펑 딩 교수팀(IBS 다차원탄소재료 연구단 그룹리더), 화학과 로드니 루오프 교수팀(IBS 다차원 탄소재료연구단 단장), 영국 케임브리지대학교 매니쉬 초왈라 교수팀이 함께 했다.

연구 수행은 과학기술정보통신부-한국연구재단의 리더연구사업, 기초연구실사업, 미래기술연구실사업, 세종과학펠로우십, 기초과학연구원(IBS)의 지원으로 이뤄졌다.