(왼쪽부터) 연세대 화공생명공학과 조정호 교수, 성균관대 신소재공학부 강주훈 교수, 연세대 화공생명공학과 곽인철 박사과정, 성균관대 신소재공학부 김지현 박사.

연세대학교 조정호 교수와 성균관대학교 강주훈 교수 공동 연구팀(제1저자: 연세대 곽인철 박사과정, 성균관대 김지현 박사)이 이차원 나노소재 용액의 고분자를 가교해 광 패턴을 형성하고 적층하는 새로운 기술을 개발했다.

이번 연구는 이차원 반도체 소재의 패턴화 및 적층 기술의 오랜 난제를 해결할 수 있는 혁신적인 방법으로, 기존 기술과 달리 Azide 기반 가교제를 이용해 이차원 소재를 직접 광 가교할 수 있어 공정이 단순하고 효율성이 뛰어난 것이 특징이다.

이차원 소재는 뛰어난 물리적·전기적 특성을 지니고 있음에도 불구하고, 대면적 정밀패턴화 및 적층 기술의 부재로 인해 상용화에 어려움을 겪어왔다. 특히, 이차원 소재의 특성을 유지하면서도 복잡한 구조를 구현해야 하는 전자소자 분야에서 적층 기술의 한계는 오랜 난제로 꼽혀 왔다.

이러한 난제를 해결하기 위해 연구팀은 기존 반도체 공정을 사용하지 않고, 자외선(UV) 빛을 이용해 소재를 가교시켜 대면적 이차원 소재의 이종적층소자를 제작하는 새로운 개념의 소자 공정기술을 개발했다.

이 공정은 기존 반도체 제조 시 필수적으로 사용되던 유기용매를 사용하지 않아 이차원 소재 고유의 우수한 특성을 보존하면서도, 기존 패턴을 유지한 채 다양한 소재를 수직 적층할 수 있는 장점이 있다. 이로 인해 전자소자 제작 공정이 더욱 간소화되었으며, 성능 역시 극대화할 수 있었다.

Azide 기반 가교제는 자외선 빛에 노출되면 반응성이 높은 활성 중간체(Nitrene)로 분해되며 주위 고분자(PVP)와 가교 반응을 일으킨다. 이 원리를 활용해 연구팀은 우수한 전기적 특성을 지닌 이차원 소재를 성공적으로 패턴화하고, 전도체·반도체·부도체 소재를 적층해 전계효과 트랜지스터를 제작했다.

제작된 전계효과 트랜지스터 49개의 평균 전하이동도는 20cm2 V-1 s-1 이상을 기록했으며, 최대 60일 이상 공기 중에 노출된 후에도 성능 저하가 미미한 고성능·고균일성·고안정성 전자소자를 구현했다. 또한, 이를 활용해 NOT, NAND, NOR 등의 로직 회로를 성공적으로 구현하며, 실제 상용화 가능성을 입증했다.

조정호 교수는 이번 연구에 대해 “이차원 소재의 패턴과 적층 기술에 대한 난제를 극복함과 동시에 이차원 소재의 상용화를 앞당길 수 있는 방향을 제시한 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 우수연구자교류지원사업의 지원으로 수행됐으며, 이번 연구성과는 세계적으로 저명한 국제학술지 `네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics, IF 34.5)'에 2월 24일(한국시간) 게재됐다.