화학연, 국내 공동연구팀 성공
투명 유연 디스플레이·웨어러블 바이오센서 적용 기대

한국화학연구원과 표준연, 전북대 공동연구팀이 이차원 박막 반도체 위해 레이저 빛을 쏴서 납땜질하듯 패터닝하는 기술을 개발, 디스플레이와 웨어러블 바이오센서 등에 활용될 것으로 기대된다.[이미지= 한국화학연구원]
얇은 원자층으로 이뤄진 이차원 반도체를 빛으로 땜질해 가공하는 차세대 반도체 기술을 개발, 투명 유연 디스플레이, 웨어러블 바이오센서 등에 활용될 것으로 기대된다.

한국화학연구원은 김현우 박사와 신채호 한국표준과학연구원 박사, 김태완 전북대학교 교수 등 공동 연구팀이 이차원 박막 반도체 위에 레이저 빛을 쏘아서 납땜질하듯이 패터닝하는 가공 기술을 개발했다고 23일 밝혔다. 

이차원 박막 반도체(전이금속과 칼코겐 원소로 이뤄진 화합물)는 그래핀처럼 얇은 두께, 투명성, 유연함 등의 장점을 가지고 있으면서도 그래핀과 달리 반도체 성질을 띠고 있다. 2010년 첫 발견 이후 차세대 디스플레이, 광센서 소자, 반도체 소자로 주목받고 있다. 

이를 반도체 소자 등으로 활용하기 위해서는 표면에 패턴, 회로를 만드는 기술, 실시간 패너팅 가공 기술이 필요하다. 하지만 이는 두께가 원자층(단층 두께~0.62nm) 정도로 얇아 쉽게 손상되는 한계가 있다. 또 열 가공, 이온 주입, 플라즈마 등 기존 반도체 가공 기술은 박막 표면이 손상될 위험이 있다. 원하는 위치에 패터닝 하기 위해서는 추가 비용과 공정이 필요하다. 가공 시간이 수분에서 수 시간까지 길어져 생산성이 떨어지는 단점도 있다.

연구팀이 개발한 기술은 박막 반도체 손상 없이, 수초 내에 거의 실시간으로 원하는 곳에 패터닝할 수 있어 응용 가능성이 매우 높다. 연구팀은 이차원 박막 반도체 밑에 인듐나노입자를 깔고 특정 세기의 빛을 쏘았다. 빛은 반도체 물질에는 영향을 주지 않으면서 인듐나노입자를 녹인다. 녹은 인듐나노입자는 그 위의 반도체 물질을 끌어당겨 함께 붙어버린다. 이때 반도체 표면이 패이면서 굴곡 구조, 즉 패턴이 형성된다.

광 땜질로 가공된 이차원 박막 반도체의 표면 구조는 빛과 상호작용할 수 있어, 차세대 광전소자, 바이오 센서 등에 활용될 수 있다. 연구팀은 25년께 실용화할 수 있을 것으로 보고 있다.

김현우 박사는 "광 땜질(optical soldering) 기술은 입사광을 조절해 패터닝과 물질 특성을 정밀하게 가공할 수 있으며, 수 초 이내에 실시간 가공할 수 있기 때문에 응용 가능성이 매우 높다. 광 땜질 기술을 이용해 향후 유연 투명 디스플레이, 고감도 바이오 센싱 기술 개발 등의 연구를 수행할 예정이다"고 말했다. 

이번 연구는 한국화학연구원 기본사업 및 소재 측정분석 서비스 사업(NRF), 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업, 전북대 한국연구재단 사업으로 공동 수행됐다. 연구결과는 광과학·재료 분야 세계 저널인 ‘Advanced Optical Materials’ (Impact factor: 10.05)에 올해 9월 게재되었다.

저작권자 © 헬로디디 무단전재 및 재배포 금지