실리콘 뛰어넘는 휘는 신소재 개발

실리콘 뛰어넘는 휘는 신소재 개발

 

● 미국 매사추세츠 공대(MIT) 한인 과학자들이 실리콘이 아닌 '이국적인(exotic)' 재료를 이용해 실리콘 보다 성능이 뛰어나고 잘 휘어지는 얇은 반도체 필름을 만드는 데 성공했다. 연구진은 또한 이 물질을 저렴하게 생산해낼 수 있는 기술을 개발함으로써 유연한 전자기기 생산에 적용 가능할 것으로 기대했다. 김지환 MIT 기계공학과 교수와 같은 연구실의 이도윤. 배상훈. 웨이콩. 후아샨 연구원, 버지니아 대학 전기 컴퓨터 공학부 이규상 교수 등 공동 연구진은 질화갈륨(gallium nitride). 갈륨 비소, 플루오르화리튬 등의 물질을 이용해서 휘어지는 것이 가능한 얇은 반도체를 개발했다고 밝혔다. 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 머티리얼스' 2018년 10월호에 게재됐다.

 

● 2017년, 연구진은 원자 두께만큼 얇은 물질인 '그래핀'을 이용해 반도체 물질을 만드는 기술을 개발해 학술지 '네이처'에 발표했다. 당시 연구진은 갈륨비소와 같이 값비싼 반도체 기판 위에 그래핀을 '층'으로 쌓으면, 갈륨과 비소 원자들이 마치 그래핀이 없는 것처럼 층을 따라 패턴을 형성하는 현상을 발견했다. 연구진은 이 기술을 '원격 에피택시(Remote Epitaxy)'라고 이름 지었다. 에피택시(Epitaxy)는 기판과 같은 결정 구조, 방향성을 갖고 결정이 자라는 것을 의미한다. 단 한 장의 값비싼 갈륨 비소 반도체 기판을 이용해 같은 성질을 지닌 여러 장의 반도체 물질을 만들어낼 수 있는 만큼 실리콘 이외 반도체 필름을 만드는 경제적인 방법이었다.

 

● 연구진은 이 기술이 다양한 반도체에 적용될 수 있는지 확인하기 위해 값싼 실리콘과 게르마늄 등을 적용해봤지만 실패했다. 투명하던 그래핀이 갑자기 불투명하게 바뀐 것처럼 실리콘과 게르마늄 원자는 복사되지 않았다. 김지환 교수는 "원자 간 결합 특성에 따라 이 기술의 적용 유무가 결정된다는 것을 알았다"며, "추가 실험을 통해 반도체의 극성이 강할 수록 그래핀을 통과해 반도체 성장을 유도하는 힘이 강해짐을 증명했다"고 설명했다. 얇은 종이를 가운데 둔 자석은 서로 잡아당기거나 밀 수 있듯이 그래핀을 사이에 두고 서로 다른 '극성'을 갖고 있을 경우 원격 에피택시(Epitaxy) 적용이 가능하다는 것이다.

 

● 연구진은 이 원리를 적용해 질화갈륨, 갈륨 비소 등 여러 재료를 이용해 얇으면서도 휘어지는 반도체 필름을 제작하는 데 성공했다. 연구진은 "실리콘이 아닌 다양한 고성능 화합물 반도체 물질을 저렴한 가격으로 만들 수 있는 길이 열렸다"며, "또한 이러한 물질들끼리 적층시켜 여러 기능을 가진 고성능 소자를 저렴하게 제작해 웨어러블 센서나 유연한 태양광 전지 그리고 가까운 미래에 피부에 접착이 가능한 스마트폰에도 적용이 될 수 있을 것"이라고 기대했다.

 

● 김지환 교수는 "산업계에서는 가격이 싸기 때문에 실리콘을 사용해왔는데, 우리의 연구 성과는 값비싼 고성능 화합물 반도체를 복사해 여러 장 만들 수 있음을 보였다"고 말했다. 그는 "미래 사회에는 작은 컴퓨터가 거의 모든 분야에서 사용될 텐데 적은 전력으로도 많은 기능을 할 수 있어야 한다"며, "이번 연구가 미래 사회 전자기기를 만들 수 있는 길을 열었다"고 덧붙였다.

 

● 실리콘은 지구상에서 산소 다음으로 풍부한 원소이다. 바위, 진흙, 모래 등 다양한 곳에서 구할 수 있다. 실리콘은 지구상에 존재하는 반도체 중 가장 쉽게 구할 수 있는 원소로도 꼽힌다. 현대 사회에 없어서는 안 되는 컴퓨터, 스마트폰과 같은 기기들을 만들 때 실리콘을 사용하는 이유이기도 하다. 센서, 태양전지, 컴퓨터와 스마트폰의 집적 회로를 포함한 대부분의 전자기기를 실리콘이 지배하고 있다고 해도 과언이 아니다. 하지만, 실리콘은 '차세대 반도체'에 활용되기에 취약한 단점을 안고 있다. 불투명하고 잘 휘어지지 않는다는 점이다. 유연한 전자기기 개발을 위해서는 실리콘과 같은 반도체 성질을 갖고 있으면서도 휘어지는 소자 개발이 필수적이다.