▲ 미지의 이차원 소재의 2D 결정 스캐닝 전과정 / 2D 결정 스캐닝은 다음의 과정으로 진행됩니다. (i) 결정 방향이 정의된 단결정 광학필터 준비, (ii) 단결정 광학필터와 미지의 이차원 소재의 반데르발스 적층, (iii) 분광학적 분석을 통해 빠르고 정확한 미세구조 스캔, (iV) 스캔이 완료된 시편을 원자-스폴링 기술을 통해 비파괴적으로 분리한 후 원하는 기판으로 전사(그림 및 설명=아주대학교 이재현 교수)  © 특허뉴스

실리콘을 대체할 차세대 반도체 기술의 핵심 소재로 주목받고 있는 이차원 반데르발스 재료의 상용화를 위한 분석 기술이 개발됐다.

이차원 반데르발스 재료(2D van der Waals Materials)는 원자 한 층의 두께를 가진 평면 형태의 극박막 소재로 나노급 선폭과 두께를 가진 초고집적 반도체 내에서 높은 물리적, 화학적 물성 및 안정성을 유지할 수 있어 실리콘을 대체할 수 있는 유력한 후보로 주목받고 있으며, 그래핀도 이차원 재료 중 하나이다.  

한국연구재단은 이재현 교수(아주대학교, 제1저자 문지윤 박사) 연구팀이 황동목 교수(성균관대학교), 김태훈 교수(전남대학교)와 함께, 합성된 다결정 이차원 반데르발스 재료의 미세구조를 정확하게 분석할 수 있는 ‘2D 결정 스캐너 기술’을 개발했다고 밝혔다.

새로운 재료를 실제 제품에 적용하기 위해서는 재료 전반의 특성을 파악할 수 있는 미세구조를 정확하게 분석할 수 있는 기술이 선행적으로 개발되어야 한다. 그러나 이차원 반데르발스 소재의 경우, 두께가 원자층 수준에 불과해 일반적으로 사용되는 미세구조 분석법(X선 결정법 및 전자현미경 등)의 직접적인 적용이 불가능하다. 

합성된 이차원 반데르발스 소재의 상용화를 빠르게 달성하기 위해서는 미세구조를 정확하게 분석할 수 있는 기술이 필요하다. 

연구팀은 서로 다른 이차원 반데르발스 소재를 각도가 다르게 겹쳐 적층할 때 나타나는 무아레 무늬(Moire Pattern/규칙적으로 되풀이되는 무늬들이 합쳐졌을 때 나타나는 새로운 간격을 갖는 무늬)와 그에 따른 광학적 특성 변화에 주목했다.   

먼저, 미세구조의 결정 방향이 확인된 단결정 단층 그래핀을 광학필터로 활용, 그 위에 합성된 미지의 다결정 그래핀을 반데르발스 힘(van der Waals force/가까운 거리에 있는 전기적으로 중성인 분자들이 서로 끌어당기는 힘)을 이용해 적층한 후 나타나는 변화를 라만분광법으로 분석했다.

분석 결과, 미지의 다결정 그래핀 내부에 존재하는 여러 미세구조 정보들이 광학필터로 활용된 단결정 단층 그래핀과 서로 다른 각도로 적층된 것을 확인했으며, 이를 통해 어긋난 미세구조의 광학적 정보를 빠르고 정확하게 스캔해 이미지화할 수 있었다. 

또한, 분석을 완료한 시편은 원자-스폴링Atomic-Spalling/약한 반데르발스 힘으로 층층이 쌓여있는 구조를 가진 이차원 반데르발스 결정에 발생하는 균열의 깊이와 방향을 원자 두께 수준에서 제어할 수 있는 본 연구팀의 독자 기술) 기술을 통해‘포스트잇’을 떼는 것처럼 물리적 파괴 없이 깨끗하게 분리했다.

이번 연구성과를 통해 대면적으로 합성된 이차원 소재의 미세구조를 빠르고 정확하게 분석할 수 있게 되면서 소재에 대한 높은 신뢰성이 요구되는 분야의 어려움을 해결할 수 있을 것으로 기대된다. 

이재현 교수는 “후속 연구를 통해 양산 공정에 적용이 가능한 실시간 고속 분석 기술로 발전이 가능할 것으로 예상된다”고 밝혔다. 

이번 연구 성과는 재료분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)’에 4월 4일 온라인으로 게재되었다.

논문명은 Nondestructive single-atom-thick crystallographic scanner via sticky-note-like van der Waals assembling-disassembling 이다.