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다양한 기판에 박막 반도체를 형성....

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글쓴이 최고관리자 등록일 14-12-03 14:30
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    노스캐롤라이나대학(North Carolina State University) 연구진은 단원자 두께의 반도체 박막을 임의의 기판에 옮기는 새로운 기술을 개발하는 데 성공했다. 이번 기술은 유연한 전자 소자 및 광소자 개발에 큰 도움이 될 것으로 기대된다. 이번 기술은 어떠한 결함 없이 하나의 기판 위에 있는 박막을 다른 기판으로 원자 수준에서 완벽하게 옮기는 기술로 기존 기술에 비해서 훨씬 빠르고 완벽하다.

    몰리브덴 설파이드(MoS2) 박막은 단원자의 두께로 이루어져 있으며 노스캐롤라이나대학 Linyou Cao 교수에 의해서 처음 개발되었다. MoS2는 반도체 산업에 이미 사용되고 있는 물질과 비슷한 전기적 및 광학적 특성을 가지고 있는 비싸지 않는 반도체 소재이다. “궁극적인 목적은 이러한 원자 두께의 반도체 박막을 이용하여 극단적으로 유연한 소자를 만드는 것이다. 그러나 이를 위해서는 박막을 유연한 기판 위에 옮기는 기술 개발이 먼저 선행되어야 한다”고 Cao 교수는 말했다. “박막을 유연한 기판 위에 형성하는 것은 어렵다. 이는 유연한 기판이 박막을 옮기는 과정에서 요구되는 고온에서 견디지 못하기 때문”이라고 Cao 교수는 설명했다.

    Cao 교수 연구진은 MoS2 박막을 단일 원자 두께로 지름이 최대 5cm까지 만들었다. 연구진은 이러한 박막을 크랙이나 주름없이 옮길 수 있는 방법에 대한 연구를 진행했다. 박막은 그 자체가 매우 섬세하기 때문에 이를 정밀하게 옮기는 데에는 매우 까다로운 기술이 요구된다. 5cm의 폭을 가지는 원자 두께의 박막은 넓은 도시 면적 크기의 종이와 같은 비율이다. “우리 목적은 이러한 넓고 큰 종이를 한 도시에서 다른 도시로 어떠한 주름과 결함없이 옮기는 것”이라고 Cano 박사는 설명했다.

    이러한 박막을 옮기는 현재의 전사기술은 화학적 에칭이라는 공정을 이용한다. 이때 화학물은 박막에 피해를 입히거나 오염을 발생시킨다. 연구진은 MoS2의 물리적 특성의 장점을 이용하여 실온의 물과 트위저를 이용하여 옮기는 새로운 기술을 개발했다.

    MoS2는 소수성으로 물을 몰아낸다. 그러나 사파이어 기판은 친수성을 띠기 때문에 물을 끌어당긴다. Cao 교수의 새로운 전사 기술은 트위저로 필름의 모서리에 작은 구명을 낸 다음 박막에 물방울을 떨어뜨려 물이 MoS2와 사파이어 사이로 침투하게 한다. 물이 그 사이로 들어가게 되면 박막은 물 위에 뜨게 된다. 연구진은 물을 빨아낸 다음 박막을 트위저로 들어올린 다음 유연한 기판에 옮길 수 있게 되었다. 화학적 에칭이 수 시간이 걸리는 반면에 이러한 과정은 수 분 안에 이루어진다. “물은 기판과 박막 사이의 접착을 깨뜨린다. 그러나 박막을 옮기기 전에 물을 제거하는 것이 중요하다”면서, “그렇지 않으면 모세관 현상이 박막을 옮길 때 박막에 변형을 가져다 주게 된다.”고 Cao는 말했다.

    “새로운 전사 기술은 MoS2를 활용한 유연한 전자소자를 만드는 데에 한걸음 더 다가가게 만든다. 우리는 이러한 기술이 향후 유연한 소자의 기술 발전에 큰 도움이 될 수 있기를 바란다”고 밝혔다. 이번 연구는 ACS Nano에 "Surface Energy-Assisted Perfect Transfer of Centimeter-Scale Monolayer and Fewlayer MoS2 Films onto Arbitrary Substrates"라는 제목으로 게재되었다.( doi/abs/10.1021/nn5057673)

    그림. 처음 기판 위에 성장된 박막(왼쪽)과 새로운 기판으로 옮겨진 박막(오른쪽)

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