울산과학기술원(UNIST)·영국 케임브리지 대학교 공동연구팀이 차세대 고집적 반도체에 들어갈 2차원 절연체 소재 합성 기술을 개발해 최고 권위 과학 저널 '네이처(Nature)'지에 공개했다.

이번 기술은 2년마다 반도체 칩의 미세소자 집적도가 2배씩 증가한다는 '무어의 법칙'의 물리적 한계를 극복할 기술로 주목받고 있다.

고집적 반도체 칩의 전류 누설, 발열과 같은 한계를 해결하기 위해 실리콘을 나노공정으로 얇게 깎는 대신 이를 얇은 2차원 반도체 소재인 이황화몰리브덴 등으로 바꾸는 반도체 칩 기술이 대안으로 꼽히고 있다. 하지만 이 기술을 완성하기 위해서는 칩 성능을 떨어뜨리는 전하 트랩과 전하 산란을 막을 2차원 절연체 소재 또한 꼭 필요하다.

공동 연구팀은 2차원 소재 가운데 유일한 절연체인 질화붕소를 원자 세 층 두께의 단결정 형태로 합성할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했다. 질화붕소가 두꺼울수록 절연체로 쓰기 적합한데, 그간 두께를 조절할 수 있는 합성 기술 개발이 난제로 남아 있었다.

제1 저자인 마경열 연구원은 "상용화가 가능한 큰 크기의 육방정계 질화붕소를 합성한 사례가 Nature나 Science에 발표된바 있지만 이는 모두 원자 한 층 두께였다"며 "원료의 농도를 미세하게 조절하는 합성 방식으로 육방정계 질화붕소를 궁극적인 합성 목표인 단결정 다층 박막 형태로 합성해 낼 수 있었다"고 설명했다.

또 연구팀은 육방정계 질화붕소가 단결정 형태로 합성될 수 있었던 원인도 밝혀냈다.

일반적으로 원자가 한 방향으로만 배열된 단결정 형태 물질은 다결정보다 품질이 우수하지만, 합성하기 까다롭다. 분석 결과 질화붕소 합성 과정에서 사용한 니켈 기판의 표면 특성 때문에 육방정계 질화붕소가 단결정 형태로 합성될 수 있었다.

신현석 교수는 "수년간 질화붕소 박막 합성 연구를 진행하면서 얻은 노하우로 2차원 절연체 소재인 육방정계 질화붕소를 단결정 다층 박막 형태로 합성해 낼 방법을 찾아냈다"고 설명했다.

신 교수팀은 2년 전 고집적 반도체의 신호 전달 지연을 막는 초저유전물질(비정질 질화붕소)을 개발해 Nature지에 공개한 바 있다.

신 교수는 이어 "최근 육방정계 질화붕소가 봉지막(보호막), 멤브레인(수소연료전지 전해질막), 차세대 이차전지 전극 소재, 양자광원 등의 소재로 쓸 수 있다는 연구 결과들이 보고된 만큼 원천 기술 확보를 위해서는 고품질 육방정계 질화붕소 생산 기술에 대한 적극적인 연구가 필요하다"고 말했다.

이번 연구는 ▲UNIST 화학과 신현석 교수팀, 신소재공학과 펑 딩 교수팀(IBS 다차원탄소재료 연구단 그룹리더), 화학과 로드니 루오프 교수팀(IBS 다차원 탄소재료연구단 단장) ▲영국 케임브리지대학교 매니쉬 초왈라 교수팀이 함께했다.

연구 수행은 과학기술정보통신부-한국연구재단의 리더연구사업, 기초연구실사업, 미래기술연구실사업, 세종과학펠로우십, 기초과학연구원(IBS)의 지원으로 이뤄졌다.