KAIST 김상욱 교수(신소재공학과) 연구팀이 휘어지는 대용량 반도체 원천기술 개발에 성공했다.

12일 KAIST에 따르면 김 교수팀은 원하는 형태로 분자가 스스로 배열하는 '분자조립' 기술을 활용해 유연한 그래핀(graphene : 구부릴 수 있는 디스플레이나 전자종이, 착용식 컴퓨터 등을 만들 수 있는 전자정보 산업분야의 미래 신소재) 기판 위에 20나노미터(nm)급 초미세 패턴을 구현하는데 성공했다. 이는 양산중인 반도체 패턴의 최고 수준이다.

유연하게 휘어지면서도 많은 양의 데이터를 저장할 수 있는 반도체를 구현하는 기술을 개발함으로써 향후 고성능 플렉시블(flexible) 전자기기 개발에 도움이 될 것으로 기대된다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 또 연성소재의 특성을 이용해 초미세 패턴을 형성하기 어려운 3차원 굴곡진 기판에서도 반도체를 자유롭게 구현하는데 성공했다. 이에 따라 다양한 응용소자에 활용할 수 있는 것은 물론 화학 반응으로 물질을 섞어주기만 하면 원하는 형태로 스스로 배열해 반도체 제작비용이 훨씬 저렴해질 것으로 전망된다.

이번 연구의 핵심 기술인 '분자조립'이란 플라스틱, 액정, 생체분자 등과 같이 딱딱하지 않고 유연한 연성소재의 고분자를 원하는 형태로 스스로 배열하게 해 기존에 만들기 어려웠던 작은 나노구조물을 효율적으로 만드는 기술이다. 마치 물과 기름이 서로 섞이지 않는 것과 같이 서로 다른 두 고분자가 상분리(phase separation : 하나의 상을 형성하고 있는 물질계가 온도, 압력, 조성 등의 변수의 변화로 두 상으로 갈라지는 현상. 기체상-액체상, 액체상-고체상 등의 상분리 외에 용액과 혼정에서 조직이 상이한 두 상으로의 분리가 있다)되어 섞이지 않는다는 점을 이용하는 것이다.

연구팀은 기계적 물성이 우수하고 원하는 기판에 쉽게 옮길 수 있는 그래핀 위에 ‘블록공중합체’라는 분자조립기술을 통해 초미세 패턴을 형성한 후, 이를 3차원 기판 혹은 PET(폴리에틸렌테레프탈레이트), PDMS(폴리디멜틸실론산) 등과 같은 플렉시블 기판에 옮겨 자유롭게 3차원 혹은 플렉시블 기판에 구조물을 구현했다.

김 교수는 이번 연구에 대해 "지금까지 발표된 휘어지는 반도체는 온도에 취약한 플라스틱 기판을 사용해 극한 공정조건을 극복해낼 수 없어 상용화에 어려움이 많았다"며 "이번 기술은 기계적 물성이 우수한 그래핀을 회로 기판으로 적용하는 데 성공한 획기적인 연구성과"라고 말했다.

김 교수는 오는 20일 열리는 미국 물리학회에서 초청 강연을 할 예정이며 앞으로 후속 연구를 진행해 반도체 회로와 같이 복잡한 회로의 설계에 도전한다는 목표다.

한편, 교육과학기술부 글로벌프론티어사업 다차원 스마트 IT 융합시스템 연구단의 지원을 받아 수행된 이번 연구결과는 재료분야 세계적 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’ 3월 6일자에 실렸다.

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