안종현 교수팀, 2차원 반도체 소재의 기술적 난제 해결

국내외 연구 통해 응용소자 개발 성공

단원자층으로 이루어진 MoS2를 포함하는 다양한 2차원 반도체 소재들은 다양한 전기적 특성을 소유하고 있을 뿐만 아니라, 우수한 기계적 물성을 소유하고 있어 최근 플렉서블, 웨어러블 전자소자에 적용하기 위한 노력들이 전 세계적으로 활발하게 이루어지고 있다. 하지만 많은 가능성에 비해서 반도체 소재 합성뿐만 아니라 소자 제작과 관련된 연구가 미진한 상태다.

안종현 교수(전기전자공학부) 연구실에서는 이러한 2차원 반도체 소재를 MOCVD 기술을 이용하여 웨이퍼 크기로 합성하고 소자 제작에 필요한 여러 기술적 난제들을 극복할 수 있는 기술을 확보했다. 나아가 이러한 연구력을 바탕으로 국내외 공동연구를 통해 2차원 반도체 소재의 두 가지 플렉서블, 웨어러블 응용소자를 개발하는 데 성공했다.

빛의 방향 정밀 측정 가능한 2차원 물질 기반 광검출소자 개발
국제 저명 학술지 네이쳐 커뮤니케이션스에 논문 게재

먼저 안종현 교수 연구팀(이원호 박사, 이용준 박사과정 연구원)은 노스웨스턴대학 연구진과 공동 연구를 통해 빛의 방향을 감지할 수 있는 새로운 개념의 광검출 전자소자를 개발했다.

빛의 방향 측정은 광학 분석 장비에 중요한 기술일 뿐 아니라 보안 시스템, 인공위성의 위치 보정 등에 응용될 수 있는 핵심 기술임에도 불구하고 그동안 기술적 난제로 여겨졌다.

빛의 방향 측정을 전자소자로 구현하기 위해서는 3차원 구조 위에 여러 기능성 물질을 집적해야 한다. 하지만 3차원 구조체에서는 기존 반도체 공정 진행이 어려워서 마이크로미터(mm) 크기를 갖는 전자소자 구현에 한계가 있었다. 이에 공동 연구진은 종이접기(origami)와 팝업북 원리를 차용해 2차원 평면상에서 광전자소자를 제작한 후 힘을 제거하면 3차원 구조의 광전자 소자가 구현되는 현상을 활용했다.

특히, 기계적 특성과 광학적 특성이 매우 우수해 높은 변형에서도 안정적인 특성을 보이는 2차원 물질을 적용하여 3차원 구조체에 전자소자를 결합했다. 산화실리콘(SiO2) 기판 위 감광성 재료인 SU-8을 이용해 구조체의 모양을 형성하고, 차세대 재료로 각광받는 2차원 물질인 그래핀(graphene)과 이황화몰리브덴(MoS2)을 전극과 광활성층으로 이용하여 광검출기를 구현한 것이다. 제작된 광검출기를 기판에서 떼어내어 당겨진 탄성중합체(elastomer)에 부분적으로 부착하고 탄성중합체를 원상태로 풀면 2차원 구조에서 3차원 반구형 검출기가 구현된다.

개발된 광검출기는 3차원 구조와 2차원 물질의 높은 빛 투과도로 인하여 빛이 한 지점을 통과한 후 다른 지점에 도달할 수 있다. 덕분에 각각의 포지션에 기반을 둔 단위 광검출기의 빛의 방향 감지가 가능하게 된다. 3차원 구조와 탄성중합체 기판의 연성으로 당김, 구부림, 비틀기와 같은 기계적 변화에도 피해를 받지 않는다. 

안종현 교수는 “3차원 구조 광검출기는 자율주행차, 추적 시스템, 인공 위치 교정 시스템 등에 활용 가능할 것”이라며 “새로운 기법을 활용한 소자 개발을 통해 광검출기는 물론 향후 다양한 3차원 구조의 새로운 전자소자를 개발할 수 있는 방향이 제시된 것”라고 말했다.

이번 연구 결과는 한국연구재단 리더(창의)연구자사업 지원으로 수행되었으며, ‘2차원 재료를 기반 기능적 3차원 구조를 응용한 광검출과 이미징 소자(Two-dimensional materials in functional three-dimensional architectures with applications in photodetection and imaging)’라는 제목으로 국제학술지 ‘네이쳐 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 게재됐다. 

[그림 1] 유한 요소 분석법(FEA)를 이용하여 3차원 구조 변형 및 변형률(strain)을 분석하였다. 아래는 개발된 3차원 광검출기 주사전자현미경(SEM) 사진.

[그림 2] 2차원 물질의 높은 빛 투과도로 인하여 빛의 방향을 감지할 수 있다. 아래는 다양한 방향의 빛을 실제 방향과 비교하여 확인했다.

인체 부착 가능한 2차원 물질 기반의 초박막형 유연 디스플레이 개발

더불어 안종현 교수는 중앙대학교 화학신소재공학부 김수영 교수진과 공동 연구를 통해 머리카락두께보다 얇아 인체에 부착이 가능하고 매우 유연한 특성을 갖고 있는 초박막 웨어러블 디스플레이를 개발했다.

공동 연구진은 차세대 반도체 소재로 주목 받는 이황화몰리브덴(MoS2) 박막 트랜지스터를 기반으로 한 6마이크로미터(m= 100만분의 1m) 두께의 초박막형 능동 구동 (Active-matrix) 디스플레이를 개발했다.

초박형 디스플레이는 기존 디스플레이 기술을 뛰어 넘어, 폴더블 디스플레이와 착용 가능한(Wearable) 전자 소자 분야 등 다양한 분야에 활용될 것으로 전망되어 학계와 산업계에서 최근 많은 관심을 받고 있는 분야다. 특히, 핵심 기술은 유기발광다이오드(OLED)를 구동할 수 있는 매우 얇고 유연한 반도체 트랜지스터다.

안종현 교수는 “그동안 실질적으로 활용되기 힘들다고 생각이 되었던 이황화몰리브덴(MoS2) 기반의 반도체가 플레서블, 웨어러블 디스플레이에 적용될 수 있음을 증명했다.”면서 “초박막형 디스플레이는 매우 유연하여 접힘이 가능한 (Foldable) 디스플레이에서 인체 피부 및 섬유 조직에 부착시켜 실시간 헬스모니터링 시스템과 같이 의료 및 스포츠 분야 등으로 다양하게 활용될 수 있다.” 고 밝혔다.

본 연구 결과는 한국연구재단 리더(창의)연구자사업 지원으로 수행되었으며, ‘이황화몰리브덴 박막 트랜지스터로 구현 된 유연한 능동 구동 유기 발광 다이오드 디스플레이(Flexible active-matrix organic light-emitting diode display enabled by MoS2 thin-film transistor)’라는 제목으로 국제학술지 ‘사이언스 어드벤시스(Science Advances)’에 게재됐다.

[그림 3] 인체 피부 위에서 안정적으로 동작하는 초박형 능동 구동 방식의 디스플레이 사진. 트랜지스터 반도체 물질인 이황화몰리브덴(MoS2)을 통하여 유기 발광 다이오드(OLED) 디스플레이가 안정적으로 구동 되고 있다.