이관형 서울대 교수, 네이처에 발표 고드름처럼 위에서 아래로 화합물 성장

이호준 기자(조선비즈) 2025.2.20

국내 연구진이 차세대 반도체 물질을 보다 쉽고 빠르게 만들 수 있는 기술을 개발했다. 건물처럼 복잡한 골조 구조를 만들고 아래부터 위로 만드는 기존 방식과 달리, 기판의 구명에서 고드름처럼 위에서 아래로 성장시키는 발상의 전환을 한 결과이다. 여러 종류의 기판에서 균일하게 대량 생산할 수 있어 고성능 반도체 소자 개발에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.

이관형 서울대 재료공학과 교수는(에스그래핀 대표) 2차원 전이금속 칼코겐 화합물(TMD)의 성장 방식을 개선한 ‘하이포택시(Hypotaxy)’ 기술을 개발했다고 20일 밝혔다. 연구 결과는 이날 국제 학술지 네이처(Nature)에 실렸다.

기존 실리콘 반도체는 3차원 결정 구조를 가지며, 크기를 줄여도 수㎚(나노미터, 10억분의 1m) 수준에서 물리적 한계에 도달하게 된다. 반면 2차원 구조를 가진 TMD는 실리콘보다 작기 때문에 집적도를 높일 수 있어, 같은 면적에 더 많은 소자를 넣을 수 있다. 덕분에 전기 전도성이 뛰어나고 에너지 소모가 적어 차세대 반도체 소재로 주목받고 있다.

하지만 TMD는 생산에서 상용화 수준에 이르지 못하고 있다. TMD를 성장시키는 데 쓰이는 화학 기상 증착법(CVD)의 한계 때문이다. 기체 상태의 원료가 특정 기판에 달라붙어 화합물을 이루는 방식인데. TMD는 사파이어와 같은 특정 기판에서만 잘 성장한다. 다른 기판으로 옮기면 결함이 발생하고, 균일한 크기로 제작하기 어려워 대량 생산이 어렵다는 문제도 있었다.

이번에 개발한 하이포택시 방식은 기판 종류와 관계없이 TMD를 직접 성장시키는 방법이다. 연구진은 금속 박막을 기판에 증착하고 그 위에 그래핀을 덮었다. 그래핀은 탄소 원자들이 벌집처럼 연결된 판형 물질이다. 이후 황(S)이나 셀레늄(Se) 기체를 주입하면 그래핀 내부에 작은 구멍이 생기는데, 여기서 TMD가 자연스럽게 성장한다.

연구진은 이 방식을 이용해 4인치 크기의 TMD 박막을 제작하는 데 성공했다. 이 교수는 “기존 방식이 기초 공사를 통해 아래를 다지고 위로 올리는 방식이라면, 하이포택시는 그래핀을 활용해 위에서부터 아래 방향으로 성장하는 방식”이라며 “골조 없이도 정렬된 형태로 자라는 방식은 기존에는 전혀 없던 새로운 접근법”이라고 설명했다.

연구진에 따르면 하이포택시는 기존 방식보다 더 균일하고 깨끗한 CVD 단결정 구조를 형성한다. 상대적으로 낮은 섭씨 400도에서 가능하고, 실리콘 반도체 공정과의 호환성이 높아 상호 보완적인 형태로 적용될 가능성이 크다고 연구진은 밝혔다.

이 교수는 “기존 실리콘 반도체는 층층이 쌓아 올리는 방식이라 한계가 있다”며 “하이포택시 방식을 통해 집적화된 형태의 반도체 소자 자체를 만들 수 있는 기술로 발전시키는 것이 최종 목표”라고 말했다.

참고 자료 Nature(2025), DOI : https://doi.org/10.1038/s41586-024-08492-9