▲ 유연 기판(플라스틱, 초박막유리)상에서 직접 성장된 MoS2와 이를 이용한 신축성 집적소자 제조 연구 / 전구제 제어를 통해 4인치 크기의 플라스틱(패럴린-C, 폴리이미드), 초박막유리 기판 위에서 MoS2를 직접 성장된 이미지. 특히, 플라스틱 소재는 기존 실리콘 핸들링 웨이퍼와의 열팽창 차이로 인해 MoS2의 성장이 어려웠다. 본 연구에서는 그래핀 버퍼층을 통해 열팽창 차이에 따른 박막 스트레스를 제어함으로써 문제를 효과적으로 해결하였다. 이를 통해 주름진 형태의 집적소자를 개발하여 기계적 신축성을 구현하였다.(그림설명 및 그림제공=연세대학교 전기전자공학과 안종현 교수) © 특허뉴스

고품질 2차원 반도체를 유연한 기판상에서 직접 제조하는 저온합성기술을 국내 연구진이 세계 최초로 개발하는 데 성공했다.

한국연구재단은 연세대학교 안종현, 공주대학교 정운진, 연세대학교 임성일, 김관표, 홍익대학교 송봉근 교수 공동연구팀이 2차원 반도체 소재 이황화몰리브덴(MoS2) 합성에 필요한 온도를 150℃까지 낮추는 저온 성장 기술을 개발했다고 밝혔다. 

이황화몰리브덴은 차세대 반도체 소재로 주목받고 있는 물질로, 그래핀과 같은 층상결정구조로 몰리브덴(Mo) 원자 1개에 황(S) 원자 2개가 결합한 물질로 1나노미터 미만 두께의 극도로 얇은 단일층 반도체를 만들 수 있다.

대표적인 2차원 반도체 소재인 MoS2는 기계적․전기적․광학적 성질이 우수해 학계의 많은 주목을 받고 있지만, 고품질로 성장하기 위해서는 600~1000℃의 고온 조건이 요구된다. 하지만 초박막 유리는 일반적으로 400℃, 플라스틱 기판은 200℃ 이상의 온도에서 열화가 발생한다. 이에 따라 MoS2 반도체 소재는 기존의 딱딱한 기판에서 성장한 후 유연한 기판상으로 옮기는 복잡한 전사공정이 추가되고, 이 과정에서 품질이 낮아지는 문제가 있다.

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

연구팀은 MoS2의 성장온도를 기존 600℃에서 150℃까지 대폭 낮추는 기술을 확보하는 데 성공했다. 

MoS2 성장에 사용되는 전구체를 하나로 합치는 아이디어를 통해 저온 전구체와 저온 MOCVD 장비를 개발했다. 또한 저온 성장된 고품질의 MoS2 반도체를 추가적인 전사 공정 없이 유연한 초박막 유리, 플라스틱 기판상에서 고성능 트랜지스터, 논리회로, 집적소자 등의 전자소자를 구현해 플렉서블‧웨어러블 전자소자로서 광범위한 활용이 가능함을 증명하였다.

이번 연구 성과에 대해 안종현 교수는 “MoS2의 저온 성장 기술은 기존 산업계의 반도체 후공정에 요구되는 온도 조건(400℃)에도 부합하여 향후 2차원 소재의 플렉서블 디스플레이 등 다양한 산업에도 적용될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구 성과는 국제학술지 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)에 7월 27일 게재되었다. 연구팀이 보고한 플라스틱 기판상에서 MoS2를 성장하는 연구는 세계 최초의 기술로 그 중요성이 인정되어 Nature Research Briefing (https://www.nature.com/articles/s41565-023-01465-5)에서 별도로 연구 내용을 소개하였다.

논문명은 Low-temperature growth of MoS2 on polymer and thin galss substrates for flexible electronics 이다.