그래핀 등 2차원 소재를 손쉽게 나노패턴화 할 수 있는 기술 개발해
충남대학교 유기재료공학과 진형민 교수가 KAIST 김상욱 교수팀과 UNIST 김재업 교수팀과 공동연구를 통해 블록공중합체 나노패터닝을 통해 손쉽게 그래핀 등의 2차원 신소재를 나노패턴화 할 수 있는 기술을 개발했다.
이번 공동연구 결과는 국제 저명 학술지 ‘Advanced Materials’ (IF: 32.086)에 표지 논문으로 2023년 1월 19일자 게재됐으며, 진형민 교수는 KAIST 김상욱 교수, UNIST 김재업 교수와 함께 이번 논문의 교신저자로, KAIST 김장환 박사가 1저자로 참여했다. (논문 제목: Atomically Flat, 2D Edge Directed Self-Assembly of Block Copolymers)
‘꿈의 신소재’라 불리는 그래핀을 포함한 MoS2, h-BN 등의 2차원 소재는 종래 벌크 소재의 한계를 뛰어넘는 우수한 전기적, 반도체적, 기계적 물성 등으로 인해 반도체소자, 센서, 촉매 등 다양한 분야에 응용되고 있다.
이처럼 다양한 응용 분야 각각에 적합한 물성들을 얻기 위해서는 이러한 2차원 소재들의 물리적, 화학적 물성을 적절하게 조절하는 것이 매우 중요하며, 나노크기 수준에서의 2차원 소재의 모양을 제어해 물성을 제어하는 방법(Nano-shape engineering)이 유망한 방안으로 모색되고 있다.
대표적인 예로 그래핀의 경우 평면에 넓게 펼쳐진 시트 형태에서는 전기가 매우 잘 통하는 반금속(semi-metal) 특성을 보이지만, 수 나노미터의 폭을 갖는 리본 형태로 모양을 제어하면 고성능 반도체 특성을 구현할 수 있다.
이에 연구팀은 차세대 반도체패터닝 기술인 ’블록공중합체 나노패터닝 기술’을 2차원 소재의 모양제어 전략으로 도입했다. ’블록공중합체 나노패터닝 기술’은 고분자의 자기조립 현상을 이용해 값비싼 반도체 노광장비 없이 10나노미터 이하의 나노패턴 형성이 가능한 차세대 반도체패터닝 기술이다.
하지만 블록공중합체 나노패턴의 경우 일반적으로 패턴 형성 시 지문 형태와 같은 무작위한 패턴이 형성되는 문제가 있어 응용에 적합하게끔 패턴을 정렬시키기 위한 추가적인 공정이 필요하다는 점이 공정효율을 낮춰왔다.
이에 공동연구팀은 8나노미터급 블록공중합체 나노패턴이 정렬을 위한 추가적인 공정 없이 그래핀, MoS2, h-BN 등의 2차원 소재의 가장자리를 따라 정렬될 수 있음을 발견했다.
또, 자발적으로 정렬된 블록공중합체 나노패턴을 하부 그래핀에 패턴 전사함으로써 선폭 8나노미터급 고품위 그래핀 나노리본을 손쉽게 제작했으며, 이를 이용해 반도체소자(전계효과트랜지스터, FET)를 제작해 우수한 스위칭 특성(최대 on-to-off ratio ~6 x 104)을 확인했다.
진형민 교수는 “이번에 개발한 기술은 가장 손쉽고 값싸게 2차원 소재의 형태를 제어할 수 있는 방법의 하나”라며, “그래핀, MoS2, h-BN 등 다양한 2차원 소재의 형태를 제어할 수 있는 범용성을 가져 반도체소자뿐 아니라 스마트센서, 촉매 등 다양한 분야에 유용하게 적용될 수 있을 것”이라고 전망했다.