▲ 이영희 IBS 나노구조물리 연구단장

기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 나노구조물리 연구단(단장 이영희) 연구팀은 한국과학기술연구원(KIST), 동국대와 공동으로 차세대 초소형 반도체 개발을 견인할 핵심기술을 개발했다.

이영희 IBS 나노구조물리 연구단장 팀은 질화붕소(BN)를 2차원 단결정 형태로 합성하는 데 성공하고, 그 연구결과를 세계 최고 권위 국제학술지 '사이언스(Science)' 11월 16일자에 게재했다. 서로 다른 두 가지 원소로 구성된 2차원 소재를 대면적 단결정으로 합성한 건 이번이 처음이다.

크기가 작으면서도 성능은 높인 차세대 전자기기의 상용화를 위해서는 재료로 사용되는 모든 소자의 크기를 작게 만드는 것이 급선무다. 2차원(2D) 물질은 두께가 거의 없는 동시에 전기적 특성, 유연성, 투명성이 우수해 이를 위한 핵심 소재로 꼽힌다.

특히 질화붕소는 2차원 물질 중 유일하게 절연 특성을 지닌 것으로 알려진 물질이다. 질화붕소는 그래핀처럼 원자가 육각형으로 배열된 구조로, 탄소 대신 붕소와 질소로 구성된다. 복잡한 반도체 내부에서 절연체는 기판과 전자 소재 사이의 상호작용을 최소화해, 전자 소자의 성능을 향상시키는 역할을 한다.

질화붕소의 우수한 특성을 유지하기 위해서는 단결정 형태로 제작돼야 한다. 하지만 기존 개발된 다결정 2차원 질화붕소는 원소가 불규칙적으로 배열된 형태로, 원자결합이 불완전해 절연 특성이 떨어진다는 한계가 있다. 절연체가 반도체 제작의 핵심 물질임에도 아직까지 성능을 온전히 살린 소재를 제작한 적이 없었다는 의미다.

▲ 액체 금 표면 위에서 2차원 질화붕소를 합성하고 있는 모습. (KIST 제공)

공동연구진은 액상 금 표면 위에서 질화붕소 결정립이 동일한 방향으로 정렬되는 '자기 줄맞춤(self-collimation)' 현상을 발견하고, 이를 이용해 단결정 질화붕소 박막을 합성했다. 매끄러운 금 표면 위에 놓인 질화붕소의 결정립계(결정의 경계)에서는 질소와 붕소 사이의 전기적인 상호작용이 유도된다. 그 결과 원자들이 서로 밀어내거나 당기면서 적정 거리를 유지하고, '오와 열'을 맞추듯 원자의 배열이 균일한 단결정의 형태로 합성된다.

실제로 연구진은 산화가 쉽게 발생하는 구리 표면에 각각 단결정과 다결정 질화붕소 박막으로 씌운 뒤, 300도의 고온에서 1시간 동안 열처리를 하며 산화 진행 과정을 비교했다. 그 결과 다결정 질화붕소 박막을 씌운 구리와 달리 단결정 박막을 씌운 구리에서는 산화가 일어나지 않았다. 또 수분투과율 조사 결과, 단결정 질화붕소 박막이 다결정 질화붕소 박막에 비해 수분 투과를 40% 정도 감소시킨다는 점도 확인했다.

▲ 액상 금 기판 위에 2차원 질화붕소를 형성하는 과정의 모식도. (KIST 제공)

이번에 개발된 공정은 박막의 크기에 구애받지 않고 원하는 크기의 단결정을 합성할 수 있다는 것이 장점이다. 더욱이 이종원소 단결정을 기판으로 이용하면 그래핀, 이황화몰리브덴, 이황화텅스텐 등 다른 2차원 소재들을 고품질 단결정으로 합성할 수 있는 가능성도 검증됐다.

그래핀을 제외한 2차원 소재는 대부분 두 가지 이상의 원소, 즉 이종원소로 구성된다. 지금까지 2차원 단결정 합성에 성공한 것도 그래핀이 유일하다. 이 때문에 이종원소의 단결정 합성은 2차원 소재 합성에 있어 '끝판왕' 격으로 여겨진다. 연구진은 연구성과가 기존 다결정 2차원 소재의 구조적 결함을 극복해 향후 초소형 전자기기, 유연 전자소자, 투명전자소자 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

IBS 커뮤니케이션팀
권예슬