[기계신문] 성균관대학교 물리학과 차승남 교수팀이 한국화학연구원 장승훈 박사, 국민대학교 홍승현 교수와 공동 연구를 통해 기존 금속전극 대신 2차원 황화구리(CuS) 전극을 새롭게 제안, 자가치유 특성을 갖는 2차원 이황화 몰리브덴(MoS₂) 기반 전자소자를 제작하여 소자의 성능을 크게 개선하는데 성공했다.
4차 산업혁명 시대를 맞아 유연하고 투명하면서도 고직접·고성능을 구현할 수 있는 반도체 소자가 요구되고 있다. 전이금속 칼코겐 화합물 기반(TMDC) 2차원 구조의 물질은 유연하고 투명한 특성과 더불어 우수한 전기적 특성 지녀 차세대 투명·유연·웨어러블 전자소자의 핵심 소재로 주목받고 있다.
TMDC 물질 중의 하나인 이황화 몰리브덴(MoS₂)은 두께가 원자 한 층 수준으로 얇으며 높은 전자이동도 특성을 지닌 반도체 소재로, 이를 기반으로 하는 다양한 전자소자의 상용화를 위한 많은 노력들이 지속되고 있다.
2차원 반도체 물질은 원자층 수준의 두께를 지녀 기존의 반도체 소자 공정에서 손상되기 쉬우며, 특히 전극과 2차원 반도체 계면의 결함과 변칙성으로 인해 생기는 에너지 장벽 등에 의해 효과적인 전자 이동이 어려워 소자 특성이 크게 저하된다. 따라서 2차원 물질 기반의 고성능 소자 구현을 위해서는 새로운 개념의 전극-반도체 소재 및 구조가 필요하다.
이에 연구팀은 2차원 반도체 소재 결함의 자가치유 성능을 지니는 전극-반도체 소재 시스템을 제안했다. 2차원 이황화 몰리브덴의 결함은 대부분 황 원자의 결핍에 의해 발생된다. 황화구리 전극은 소재 내에 존재하는 잉여 황 원자를 2차원 이황화 몰리브덴의 황 원자 결핍 부위에 공급하여 결함을 치유한다. 이러한 결함의 치유는 2차원 반도체 소재 내의 전하 이동을 원활하게 하여, 소자 특성을 향상시킨다.
연구팀은 결함 치유의 작동기작을 다양한 전기적·분광학적 분석 및 제1원리 계산을 통해 규명하였다. 자가치유 기능을 포함하는 2차원 이황화 몰리브덴 기반 트랜지스터 소자는 후면 게이트 구조에서 현재까지 보고된 가장 높은 전자이동도를 달성하였으며, 소자의 높은 전자이동도와 광민감도를 나타내 차세대 유연·웨어러블 기기의 핵심 소자로서의 활용 가능성을 높였다.
연구팀은 자가치유 특성을 다양한 반도체 소자 적용할 수 있는 소재의 범위를 확장하고, 이의 성능 안정성을 개선하는 후속연구를 지속할 계획이다.
차승남 교수는 “이번에 제안한 자가치유 특성을 기반으로 하는 기능성 소재 및 소자 설계 기술은 소자의 수율, 수명 그리고 동작 특성 등을 획기적으로 개선할 수 있는 새로운 반도체 기술로의 활용이 기대되어 향후 과학 기술 및 산업적 응용 가치가 높을 것으로 예상된다”고 밝혔다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원 사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 소재 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’에 표지 논문(Frontispiece)으로 9월 4일 온라인 게재되었다.
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