웨이퍼 크기서 원자수준 정밀 조립 성공

포항공과대학교(POSTECH) 화학공학과 김철주 교수팀이 국제공동연구를 통해 원자 하나 정도의 두께인 얇은 막을 웨이퍼 크기로 만드는 기술을 개발했다. 연구진은 100%에 가까운 수율로 얇은 막을 만들어 층층이 쌓는데 성공했다고 밝혔다. 또한 비틀어 쌓거나 차곡차곡 쌓는 등 겹겹이 쌓는 방식을 달리해 전혀 새로운 물질을 개발할 수 있다고 설명했다.

김철주 교수는 21일 "이전까지는 매우 작은 크기의 제한된 기술 개발에 머물렀지만, 이번 연구를 통해 세계 최초로 웨이퍼 크기에서 원자 수준의 정밀한 조립이 가능해 향후 새로운 나노소자 개발에 응용할 수 있다"고 말했다.

연구진에 따르면, 원자 하나 두께의 막은 두께나 원자 구조에 따라 다양한 물리적 특성을 지닌다.

이 막을 차곡차곡 쌓거나 비틀어 쌓는 등 쌓는 방식을 바꾸면 각기 다른 물성을 구현할 수 있다. 그러나 웨이퍼 크기의 큰 막을 조립하면 접촉면이 쉽게 오염돼 새로운 성질이 나타나지 않았다.

연구진은 두 원자가 서로 끌어당기는 인력인 반데르발스 상호작용을 이용해 얇은 막을 쌓는 기술을 개발했다. 이 기술로 원자 하나 두께의 그래핀과 육방정 질화붕소를 조립했다. 그 결과, 깨끗한 접촉면을 가진 웨이퍼 크기 박막을 거의 100%의 수율로 만들었다.

연구진은 이 기술로 지금까지는 크기가 작아 실제 디바이스로 활용하기 어려웠던 인공 결정 박막도 웨이퍼 크기로 대량생산할 수 있다고 설명했다. 또한 물질의 구조를 원자 수준에서 조절할 수 있기 때문에, 새로운 형태로 빛을 내거나 전기가 흐르는 새로운 물질 개발도 가능하다고 말했다.

이번 연구는 김철주 교수팀의 통합과정 양성준·정주현 씨와 포항가속기연구소 황찬국·이은숙 박사, 미국 일리노이대 어바나-샴페인캠퍼스(UIUC)와의 공동으로 진행해 국제 학술지 '나노 레터스(Nano Letters)'에 표지논문으로 최근 선정됐다.

김만기 기자