포스텍 김철주 교수 연구팀 '웨이퍼' 크기 박막 조립 기술 개발

원자도 '레고'처럼 조립…새로운 나노소재 개발에 탄력

포스텍 김철주 교수

포스텍 양성준씨

포스텍 정주현씨

블록 장난감으로 잘 알려진 '레고'처럼 조립법에 따라 다양한 모형을 만들 수 있는 기술이 눈에 보이지 않는 원자에도 적용돼 학계에 관심을 끌고 있다.

포스텍(포항공대) 화학공학과 김철주 교수·통합과정 양성준·정주현 씨 연구팀은 포항가속기연구소 황찬국·이은숙 박사, 미국 일리노이대 어바나-샴페인캠퍼스(UIUC)와 공동연구를 통해 반도체 집적회로를 만드는 토대가 되는 얇은 판인 '웨이퍼' 크기의 원자 단위 두께 박막을 조립하는 기술을 세계 최초로 개발했다.

물질의 구조를 원자단위에서 정밀하게 설계할 수 있게 된 셈이다. 이번 연구결과는 국제 학술지 '나노 레터스' 표지논문에 실렸다.

연구팀은 원자로 구성된 결정(원자 등 주기성을 갖고 규칙적으로 배열된 격자형 고체물질) 박막이 두께나 원자 구조에 따라 다양한 물리적 특성을 지닌다는 사실에 주목했다.

박막을 차곡차곡 쌓거나 비틀어 쌓는 등 쌓는 방식에 따라 각기 다른 물성을 구현할 수 있다는 사실을 확인한 연구팀은 웨이퍼 크기의 큰 박막에도 이를 적용할 수 있을 지 고민했다. 그간 아주 작은 크기의 조립은 가능했지만 큰 박막의 경우 계면이 쉽게 오염돼 새로운 물질이 나타나지 않을 수 있기 때문에 조립이 쉽지 않았다.

이에 연구팀은 중성인 두 개의 분자 사이에 작용하는 힘 '반데르발스 상호 작용'을 이용했다. 단일 원자 두께의 그래핀과 육방정 질화붕소를 조립한 것인데, 그 결과 100%에 가까운 수율로 깨끗한 계면을 가진 웨이퍼 크기의 박막이 만들어졌다.

연구팀은 크기가 작아 실제 디바이스로 활용이 어려웠던 인공 결정 박막의 경우도 이 기술을 활용하면 웨이퍼 크기로 대량 생산할 수 있을 것으로 기대했다. 특히 물질의 구조를 원자 수준에서 조절할 수 있기 때문에 새로운 형태의 성질을 가진 물질 개발에도 속도가 붙을 것으로 내다봤다.

김철주 교수는 "원자 수준의 해당 조립 기술은 매우 작은 크기에서만 적용이 가능했다. 하지만 이번 연구성과에서도 보듯 웨이퍼 크기의 원자수준에서 정밀한 조립이 가능해지면서 앞으로 새로운 나노소자 개발에도 기대감이 커지고 있다"고 했다.