고품질 2차원 반도체를 유연한 기판에서 제조할 수 있는 저온합성기술을 국내 연구진이 세계 최초로 개발하는 데 성공했다.

한국연구재단은 연세대학교 안종현·임성일·김관표 교수와 공주대학교 정운진, 홍익대학교 송봉근 교수 공동 연구팀이 2차원 반도체 소재 이황화몰리브덴(MoS2) 합성에 필요한 온도를 150℃까지 낮추는 저온성장기술을 개발했다고 10일 밝혔다.

차세대 반도체 소재로 주목받고 있는 2차원 반도체 소재인 MoS2는 기계·전기·광학적 성질이 우수하지만 고품질로 성장하기 위해서는 600~1000℃의 고온 조건이 요구된다.

초박막 유리는 일반적으로 400℃, 플라스틱 기판은 200℃ 이상의 온도에서 열화가 발생하기 때문에 MoS2 반도체 소재는 기존의 딱딱한 기판에서 성장한 후 유연한 기판상으로 옮기는 복잡한 전사공정이 추가되고 이 과정에서 품질이 낮아지는 문제가 있다.

이로 초박막 유리, 플라스틱 기판과 같은 유연 기판상에서 MoS2가 직접 성장할 수 있는 기술 개발이 필요한 상황이다.

이번에 공동 연구팀은 저온 전구체와 저온 MOCVD 장비를 개발해 MoS2의 성장온도를 기존 600℃에서 150℃까지 대폭 낮추는 기술을 확보하는 데 성공했다.

또 저온 성장된 고품질의 MoS2 반도체를 추가적인 전사공정 없이 유연한 초박막 유리, 플라스틱 기판상에서 고성능 트랜지스터, 논리회로, 집적소자 등의 전자소자를 구현해 플렉서블·웨어러블 전자소자로 광범위한 활용이 가능함을 증명했다.

전구체는 반도체 공정 중 하나인 박막증착공정에서 박막의 재료로 사용되는 물질이며 MOCVD는 금속유기원료를 사용해 기판 위에 박막을 형성시키는 화학증착법이다.

이번 연구에서 확보한 저온합성기술을 활용해 플렉서블 디스플레이, 이미지 센서, 압력 센서 등 다양한 전자소자들의 구동 회로 및 센서 제작은 물론 현재 OLED의 패널로 사용되는 다결정 실리콘과 산화물 반도체를 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 국제학술지 '네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)'에 지난달 27일 게재됐다.(논문명:Low-temperature growth of MoS2 on polymer and thin galss substrates for flexible electronics)

연세대 안종현 교수는 "이번에 보고한 플라스틱 기판상에서 MoS2를 성장하는 연구는 세계 최초 기술로 중요성이 인정돼 Nature Research Briefing을 통해 별도로 소개됐다"며 "이 저온성장기술은 기존 산업계의 반도체 후공정에 요구되는 온도 조건(400℃)에도 부합해 향후 2차원 소재의 플렉서블 디스플레이 등 다양한 산업에 적용될 수 있을 것"이라고 말했다.