극성과 표면 불포화 결합이 없는 그래핀. 이러한 그래핀은 화학적으로 매우 안정된 상태를 유지하기 때문에 반도체와 그래핀의 이종구조를 형성하는 데 어려움을 겪는다. 때문에 반도체 증착물을 선택하는 데 많은 제약이 있었고 반도체·그래핀의 이종구조를 제작하기 위해서는 산화물 반도체 같은 물질에 한정돼야 했다.

이런 가운데 국내 연구진이 샌드위치처럼 그래핀 양면에 반도체를 동시에 집적시킬 수 있는 기술을 개발해 주목을 받고 있다. 세종대학교 그래핀연구소 나노신소재공학과 홍영준 교수와 포스텍 화학과 김광수 교수팀이 반도체·그래핀 다중이종구조 제조기술을 개발한 것이다. 해당 연구는 현미경을 이용한 수작업 없이 대면적에 높은 밀도를 구현할 수 있다는 점에서 학계의 이목을 끌고 있다. 더불어 연구결과는 그 성과를 인정받아 신소재 분야 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 뒷표지 논문으로 게재되기도 했다.

반데르발스 인력 이용… 그래핀 상하부 반도체 증착

얇고 전기전도도가 우수한 그래핀은 양쪽으로 도핑 할 수 있기 때문에 투명하고 유연한 전자소자 구현을 위한 차세대 기판으로 주목받는다. 이처럼 그래핀은 용도가 꽤나 쓸 만할 것으로 기대받고 있지만 다른 물질과 결합할 수 있는 표면전자가 거의 없는 그래핀 표면에 반도체를 집적하는 기술을 구현하는 것이 어렵다는 점에서 치명적인 한계를 안고 있었다. 때문에 이러한 집적기술을 개발하는 것 역시 현재 학계가 맞닥뜨린 중요한 과제였다.

홍영준 교수팀은 이를 극복하기 위해 반데르발스 인력 방식을 이용, 그래핀 상하부 표면에 인듐비소 반도체를 증착하는 데 성공했다. 반데르발스 인력이란 전기적으로 중성 혹은 무극성의 성질을 띠는 분자들이 서로 당기는 약한 정전기력을 의미한다. 홍 교수는 이를 이용한 반데르발스 에피텍시를 이용했다. 해당 방법은 기판의 표면 비결합 전자를 필요로 하지 않아 그래핀 같은 2차원 나노 층상물질을 기판으로 사용할 때 적합하다고 여겨진다.

“이번 연구는 그래핀의 위·아래층에 반도체를 에피텍시로 성장시킨 것입니다. 다중이종구조를 제조한 연구죠. 에피텍시란 본래 단결정 기판 위에 반도체 단결정 층을 성장시키는 기술인데 여기에는 주로 그래핀 기판이 사용돼요. 그래핀의 경우 보통 육각 벌집의 결정구조를 갖고 있는데 그 위에 비슷하게 벌집구조를 가진 인듐비소를 증착시켰어요. 무엇보다 이번 우리팀의 연구가 주목 받는 것은 단면이 아닌 양면에 성공시켰기 때문이죠.”

그래핀은 원자 한 층으로 이뤄진 구조다. 이렇게 얇은 구조의 위아래에 반도체 증착을 성공했다는 것은 국내 연구단계를 한 단계 도약시킨 것으로 평가받는다. 그동안은 그래핀의 비결합전자성으로 인해 양면에 반도체를 증착시키는 데 큰 어려움을 겪었다.

“기존에는 현미경으로 직접 관찰하면서 수작업으로 그래핀 위에 반도체를 증착시켰어요. 하지만 이러한 방법은 대면적 반도체 공정에 적합하지 않았죠. 때문에 우리팀은 반데르발스 인력을 이용했습니다. 화학결합이 아닌 반데르발스 인력을 이용하면 화학결합은 어려울지 몰라도 물성이 매우 뛰어나게 됩니다. 이로써 앞으로 다양한 나노소재를 반도체 기판으로 활용할 수 있는 길이 열릴 것으로 기대하고 있죠.”

그래핀 양면에 샌드위치처럼 반도체를 동시에 집적시키는 방법은 새로운 기능의 소자를 개발할 수 있다는 점에서 매우 유용하다. 그동안 과학계도 양면 반도체 증착기술을 통해 나타나는 물리적 현상을 궁금해 했지만 기존의 방법은 일일이 수작업을 요구했기에 선뜻 실행에 옮기기 어려웠다.

“우리팀의 연구는 기존 방법과 달리 그래핀 위아래에 반도체를 무작위로 증착시킬 수 있어요. 그것도 높은 밀도로 말이죠. 밀도는 1㎠ 당 1억~4억 개의 이중구조입니다. 이는 지금까지 구현이 힘들었던 아주 높은 밀도의 고집적 기술이에요. 때문에 앞으로의 가능성에 많은 기대를 받고 있는 것이죠.”

홍영준 교수팀은 그래핀을 공중에 띄운 상태에서 그래핀 앞뒷면에 인듐비소를 증착시켜 약 50~60% 수율로 샌드위치 형태의 인듐비소·그래핀·인듐비소 이중이종접합 구조를 얻어낼 수 있었다.

연구 계기… “종이도 앞뒷면 모두 사용하잖아요”


홍영준 교수팀이 이번 연구를 진행한 데는 새로운 발상이 큰 몫을 차지했다. 연구 계기를 묻는 질문에 그는 “종이도 앞뒷면을 모두 사용하지 않나”라고 답했다.

“어느 날 문득 그런 생각이 들었어요. 우리가 노트를 사용할 때 한 면만 사용하기도 하지만 앞뒷면을 모두 쓰기도 하잖아요. 이것을 반도체 증착에 응용해 보면 어떨까 싶더군요. 기존 연구자들이 진행한 연구를 보면 무조건 한 면에만 구현을 하는 경우가 많아요. 양면을 하더라도 한 면에 증착시킨 후 뒤집어서 다른 면에 증착을 진행하죠. 그런데 이렇게 한 면 한 면 번갈아 증착하는 방법은 좀 아닌 것 같더라고요. 그때 그래핀을 공중에 띄우는 방법은 어떨까 싶었어요. 저는 화학기상증착방법을 사용했어요. 이것을 이용하면 앞뒷면에 모두 증착시킬 수 있거든요.”

홍영준 교수가 활용한 화학기상증착법은 반도체를 구성할 만한 인듐과 비소에 해당하는 전구체를 기체상태로 흘려주는 방법이다. 이렇게 할 경우 기판의 위아래에 물질이 모두 달라붙어 샌드위치 구조를 간편하게 이룰 수 있다. 이는 연구의 핵심 요소로 그 가운데에는 기판을 ‘띄운다’는 발상이 존재했다.

“‘종이처럼 앞뒷면 사용하면 되겠네’라는 발상에서 시작했는데, 정말 돼서 놀랐어요. 상상만 했던 것인데 실제로 결과가 나오니까 스스로도 믿어지지가 않았죠. 사실 이 아이디어도 다른 소일거리를 하다가 번뜩 나온 생각이었거든요.”

하지만 이처럼 ‘번뜩이는’ 아이디어도 결국은 날마다 연구에 몰두했기에 가능한 결과였다. “그렇다고 해서 연구과정이 늘 탄탄대로였던 것은 아니에요. 많은 어려움에 부딪히기도 했죠. 이번 연구에서는 과학적으로 해석이 어려운 부분을 어떻게 풀어내야 할지 고민이 많았어요. 그래핀 위아래에 달라붙은 반도체는 사실 극성이 서로 다르거든요. 마이너스(-) 방향으로만 자라게 돼 있는데, 사실 이것은 자연상에서 많이 발생하는 일은 아니에요. 일반적으로 이러한 현상을 ‘분극반전구조’ 라고 하는데 자연상에서 존재하지 않는 현상이다 보니 해석에 어려운 부분이 있었습니다.”

극성이 같은 반도체가 자라는 이유를 알아내기 어려울 때 홍영준 교수는 포스텍 화학과 김광수 교수의 도움을 받았다. 슈퍼컴퓨터를 이용해 김광수 교수가 이론을 계산하고 연구를 통해 발현된 구조가 안정하다는 것을 입증한 것이다.

“김광수 교수님을 통해 해석이 가능해졌어요. 간단하게 설명하자면 그래핀의 전자 차폐능력에 따른 결과예요. 이론 계산을 통해 우리 연구팀의 연구 결과 구조가 안정하다는 것을 알았죠. 이것이 안정한 이유는 그래핀이 전자 차폐능력이 뛰어나기 때문입니다. 그리고 그래핀을 사이에 두고 발생한 인듐·비소와 화학결합을 하지 않아요. 이는 결국 전자를 서로 주고받지 않는다는 의미입니다.”

이번 연구는 먼 미래를 내다봤을 때 에피텍시를 이용한 샌드위치 반도체를 제조할 수 있다는 점에서 의의가 있다. 더불어 이를 통해 높은 밀도의 반도체를 만들 수 있다는 것 역시 연구를 통해 기대되는 항목이다.

“이 연구결과를 앞으로 어떻게 사용할 수 있을지는 저도 아직 물음표에요. 앞으로 더욱 열심히 연구해서 이번 연구결과가 활용 가능하다는 것을 보여주고 싶어요. 파급효과는 그 다음에 언급할 문제죠. 그렇지만 분명한 것은 다양하게 응용하는 만큼 추후 우리 생활에 필요한 기술을 발전시킬 수 있을 것이라고 믿는다는 거죠. 앞으로 새로운 형태나 구조의 반도체 소자를 그래핀 위에 집적해 볼 것입니다. 그것이 제가 해야 하는 일인 것 같아요. 좋은 결과를 얻을 수 있도록 연구에 매진해야죠.”