[머니투데이 류준영 기자] [성균관대 유원종 교수 주도…MoS2 신물질로 기존 한계 극복]
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3나노미터 두께 2D 소재를 화학도핑을 통해 제작된 초미세 인터페이스 p-n 접합 반도체의 모식도/자료=성균관대


두께 3나노미터(nm, 1나노미터는 10억분의 1미터)급 '초박막 반도체'가 국내 연구팀에 의해 세계 처음으로 개발됐다.

전 세계적으로 미래 모바일 환경에 맞는 초절전형 차세대 반도체 개발 경쟁이 뜨겁다. 최근까지 '꿈의 신소재'로 불리는 그래핀을 차세대 반도체에 적용시키려는 연구가 진행돼 왔다. 하지만 그래핀은 고성능 반도체 제작에 한계가 있어 신물질 개발로 연구방향이 바뀌고 있는 상황이다.

성균관대 유원종 교수 연구팀은 기존 3차원(3D) 구조의 규소로 만들어지는 반도체 소자와 달리 2차원(2D) 구조를 갖는 소재인 황화몰리브데늄(MoS2)을 반도체 소재로 활용, 수직형 p-n 접합소자를 제작하는 데 성공했다고 24일 밝혔다. 

유 교수에 따르면 MoS2을 반도체 소재로 활용하면, 반도체 특성을 지니면서도 초박막 구조를 형성할 수 있다. 또 반도체가 매우 얇아지는 만큼 동작에 필요한 전압도 급격히 낮아져서 전력소모가 작은 소자 제작이 가능하다. 

특히, 기존 3D 규소 반도체는 14nm 수준 이하로는 제작이 불가능했지만, 이번에 개발된 2D 구조의 반도체 소자는 3nm급으로 매우 얇으면서 에너지 소모도 4배 이상 적어 미래 초소형·초절전형 반도체 소자로 사용될 것으로 기대된다.

연구팀은 "이번 연구로 MoS2 신물질이 차세대반도체로 사용될 수 있는 가능성을 세계 최초로 제시했다"며 "현재 규소기반 반도체 소자의 걸림돌인 과다 전력 소모 문제를 극복할 수 있을 것"이라고 강조했다. 

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유원종 교수/사진=성균관대
유 교수는 "p-n 접합소자는 많은 반도체 전자회로의 기본 소자로 쓰이므로, 이러한 기본 소자를 이루는 물질이 2D 소재로 대체될 경우, 미래의 초고속 반도체, 고효율 광전소자, 신개념 투명 유연소자 개발 및 응용 연구를 가속화할 것"이라고 말했다.

이번 연구성과는 국제학술지인 네이처 커뮤니케이션즈 온라인판 24일이자에 게재됐다.


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류준영 기자 joon@mt.co.kr