2차원 반도체 대면적 합성…이관형 교수 12월 과기인상

이관형 서울대학교 재료공학부 교수.(과기정통부 제공)

(서울=뉴스1) 나연준 기자 = 과학기술정보통신부와 한국연구재단은 이달의 과학기술인상 12월 수상자로 2차원 반도체를 대면적으로 합성할 수 있는 공정을 개발한 이관형 서울대학교 재료공학부 교수를 선정했다고 3일 밝혔다.

현대 반도체 기술은 초미세·3차원 구조로 발전하고 있으나, 층이 많아질수록 전력 소모와 발열 등 문제가 커져 초박막 두께에서도 뛰어난 특성을 보이는 2차원 반도체 Transition Metal Dichalcogenides, TMD)가 차세대 소재로 주목받고 있다.

하지만 기존 공정은 기판 제약, 전사 과정에서의 손상, 박막 불균일성 등으로 넓은 면적에서 단결정(원자가 규칙적이고 인관되게 배열된 고체 물질) TMD를 성장시키는 데 한계가 있었다.

이관형 교수는 이러한 한계를 해결하기 위해 '하이포택시(hypotaxy)' 공정을 개발해 대면적 TMD 성장의 새 장을 열었다. 이는 기존에 기판 위로 결정을 쌓는 방식과 반대로 위에 있는 2차원 재료가 아래로 성장하는 결정의 방향을 잡아주는 기술이다.

이 공정은 기존에 단결정 성장이 어려웠던 비정질 이산화규소(SiO2)나 금속 기판 등의 표면에서도 고품질 TMD를 제조할 수 있어 소재·공정 호환성을 획기적으로 확장한 것이 특징이다.

이관형 교수는 상용화가 가능한 수준인 4인치 웨이퍼 전면에 단결정 이황화몰리브덴(MoS2) 박막을 제조하는데 성공했고, 금속 박막의 두께만 조절해 TMD 층수를 정밀하게 제어하는 등 세계 최고 수준의 전기적 성능도 확보했다.

또한 이황화텅스텐(WS2), 이셀레늄화텅스텐(WSe2) 등 다양한 TMD 물질에도 적용 가능함을 확인해 하이포택시가 범용적 2차원 반도체 성장 플랫폼임을 증명했다.

본 연구는 지난 2월 세계적 권위의 학술지 네이처에도 게재됐으며, 차세대 AI 반도체 대량생산의 새로운 저변을 열 것으로 기대된다.

이관형 교수는 "예상과 완전히 반대되는 결과로부터 시작한 연구였는데, 실패한 연구도 놓치지 않고 집요하게 들여다보는 태도가 좋은 결과로 이어진 것 같다"며 "향후 실리콘 이후의 반도체 플랫폼을 우리 손으로 설계하고 구현하고 싶다"고 말했다.