국립 경상대학교(GNUㆍ총장 이상경) 공과대학 나노ㆍ신소재공학부(세라믹공학 전공) 박준홍 교수는 재료 및 나노기술 분야의 저명한 국제학술지 『에이시에스 나노(ACS nano)』(IF: 13.709) 최신호에 ‘화학처리를 이용한 이차원 반도체 소재의 밴드 구조 제어’(Band Structure Engineering of Layered WSe2 via One-Step Chemical Functionalization)라는 제목의 논문을 발표했다.

이 연구는 과학기술정보통신부ㆍ한국연구재단의 ‘생애첫연구’ 지원으로 수행됐으며 박준홍 교수가 제 1저자로 참여하여 미국 캘리포니아대학교 샌디에이고캠퍼스(UCSD)와 텍사스대학 오스틴(UT Austin)대학들과 공동연구로 진행한 결과이다.

박준홍 교수는 “이번 연구를 통하여 저비용의 간단한 화학처리를 통해 반도체 소재의 특성을 안정적으로 제어하는 기술을 발견했다.”고 말하고 “이번 연구 결과는 차세대 반도체 후보 물질인 이차원 나노 소재를 기존 반도체 소자 공정에 저비용과 저난이도로 적용하는 데 큰 기반이 될 것이다.”고 설명했다. 박 교수는 “또한 차후 다양한 분자의 흡착을 이용해 나노 소재의 특성을 제어할 수 있음을 보여준 것으로 평가받는다.”고 강조했다.

박준홍 교수에 따르면, 이차원(2D) 소재는 평면적으로는 강한 공유 결합을 이루고 수직방향으로는 반데르 발스 인력에 의해 약한 결합을 가지는 구조로 되어 있어 한 층의 두께가 불과 7옹스트롬에 불과하다.

따라서 기존 규소 반도체의 미세화 기술이 한계에 부닥치면서 차세대 반도체 소재로 각광받고 있다. 또한, 2D 기반 원자층 두께의 반도체를 매우 작은 전압으로 구동이 가능하여, 이를 이용하여 초저전력 소자 제작이 가능해진다. 하지만 원자간 치환 방식의 화학적 처리 방식은 복잡한 공정 및 장치를 요구하고 누출전류 등 소자의 성능저하가 유발될 수 있음이 보고돼 왔다.

박준홍 교수 연구팀은 이번 연구에서 복잡한 후 공정과 장비의 사용 없이, 간단히 화학 용액 ((NH4)2S)에 이차원 반도체소재인 텅스텐 다이셀레나이드(WSe2) 담갔다 빼는 것만으로도 분자 흡착에 의한 WSe2의 밴드 구조 제어가 가능하다는 것을 발견했다.

연구 팀은 화학 처리 후 SH 분자가 WSe2에 흡착되었을 때 밴드 구조 변화를 관찰하여 밴드 갭이 감소함과 동시에 정공의 농도가 증가하는 것을 발견했다. 이에 따라 금속 접합에서 WSe2로의 정공의 주입 효율이 향상되어 대기 상태에서 소자의 성능 저하 없이 소자의 구동 전류가 증가하는 것을 관찰했다.

류재주 기자