전기회로와 반도체 제작에는 산화물 절연체 기판^*이 널리 쓰인다. 하지만 기판과 소재 사이의 강한 상호작용으로 인해, 소재가 가진 고유 성능이 저하되는 문제가 있었다.

절연체 기판 : 전기회로는 절연체 기판 위에 축전기, 저항기, 다이오드 등의 전자소자가 위치하고, 기판에 프린팅 된 구리 전선을 통해 전하가 흐르게 된다. 특히 반도체의 경우 얇은 원자층 소재가 쓰여 절연체 기판이 소재와 소재간의 간섭을 최소화하는 역할을 한다.

국내외 연구진은 공동으로 전자소재 및 소자의 성능을 손실 없이 구현할 수 있는 대면적 2차원 절연체 기판 개발에 성공했다.
보론 나이트라이드^*(이하 h-BN)는 이상적 절연체 기판의 재료로 알려져 있지만, 대면적·고결정성 구현이 어려워 상용화에 걸림돌이 됐다.
이에 연구진은 세계 최초로 상용화가 가능한 대면적 크기의 h-BN 박막을 개발하였다. 향 후 이를 활용하여 차세대 기판과 2차원 전자소자 구현을 앞당길 전망이다.

보론 나이트라이드 (h-BN, Hexagonal Boron Nitride) : 붕소와 질소로 이루어진 육각형(Hexagonal) 벌집구조 모양의 2차원 물질로 부도체의 물성을 지닌다. 기판과 전자소재 및 소자간의 상호작용을 최소화해, 소재 및 소자의 성능을 온전히 유지 시킬 수 있는 신물질로 각광받고 있다.

연구팀은 h-BN의 대면적·고결정 추출법을 고안해 기술적 한계를 극복하였다. 이로서 절연체 기판의 보편적 재료인 산화물 대체가 근시일내 가능할 것으로 예상된다.
기존의 h-BN은 보라진을 구리 기판 위에 화학기상 증착법으로 증착시켜 제작했으며, 원소비율 제어가 어렵고 두께가 매우 얇아 기판으로 사용이 불가능했다.
이에 연구진은 철 기판을 사용하여, 두꺼우면서 면적이 넓고 결정성이 높은 h-BN 박막을 만들어 낼 수 있었다.
h-BN 박막은 철 기판에서 다른 소재의 기판으로 옮기는 것도 용이해 다양한 구조의 고성능 전자 소자 개발을 앞당길 수 있을 것으로 보인다.

나아가 연구진은 h-BN 기판에 다수의 이차원 전자 소재를 적용하여 소재의 성능 향상을 수치상으로 확인하였다.
그 중 h-BN 기판 위에 화학기상 증착법으로 형성된 단일층 이셀렌화텅스텐의 전하이동도는 이산화규소 기판 대비 150배 높았다.
연구진은 결함이 적고, 전자 소재와 상호 작용이 거의 없는 이상적 기판 소재인 h-BN 박막을 사용하면, 어떤 2차원 물질이라도 소재의 본연의 성능을 살릴 수 있음을 밝혔다.

김수민 박사는 “전자소자 연구의 최대 난제를 해결할 수 있는 이상적인 소재의 대면적화를 제시했다”며 “테라헤르츠(THz)급 전자소자 산업의 빠른 상용화를 이끌 기반을 마련할 것”이라고 말했다.
기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 나노구조물리연구단(단장 이영희), 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원(분원장, 김준경)·복합소재기술연구소 소프트혁신소재연구센터 김수민 박사, 동국대학교(총장 한태식 보광스님) 융합에너지신소재공학과 김기강 교수 그리고 MIT EECS Jing Kong 교수가 수행한 연구성과는 과학저널 네이처 커뮤니케이션(Nature Communication, IF 11.470)에 10월 28일자에 온라인 게재되었다.

(좌) 화학기상 증착기를 이용한 h-BH 제작
(우) 투과전자현미경(TEM)을 통한 철(Fe) 기판에 증착한 다증층 h-BN 촬영

(좌) 높은 기계적 강도 / (우) 전하 이동도 수치

2차원 소자의 도핑 효과 감소