12월 과학기술인상, 서울대 이관형 교수 선정

대면적 단결정 2차원 반도체 성장 플랫폼 ‘하이포택시’ 공정 개발

과학기술정보통신부

[금요저널] 과학기술정보통신부와 한국연구재단은 이달의 과학기술인상 12월 수상자로 서울대학교 재료공학부 이관형 교수를 선정했다고 밝혔다.

‘이달의 과학기술인상’은 최근 3년간 독창적인 연구 성과를 창출해 과학기술 발전에 크게 기여한 연구자를 매월 1명 선정해 부총리 겸 과기정통부 장관상과 상금 1천만 원을 수여하는 상으로, 과기정통부 과학기술진흥기금과 복권기금의 재원으로 운영된다.

과기정통부와 연구재단은 2차원 반도체를 대면적으로 합성할 수 있는 혁신 기술인 ‘하이포택시’ 공정을 개발해 차세대 AI 반도체 발전의 기반을 마련한 이관형 교수를 수상자로 선정했다.

현대 반도체 기술은 초미세·3차원 구조로 발전하고 있으나, 층이 많아질수록 전력 소모와 발열 등 문제가 커져 원자 몇 층 두께에서도 뛰어난 특성을 보이는 2차원 반도체가 차세대 소재로 주목받고 있다. 하지만, 기존 공정은 기판 제약, 전사 과정에서의 손상, 박막 불균일성 등으로 넓은 면적에서 단결정* TMD를 성장시키는 데 한계가 있었다.

단결정: 원자가 규칙적이고 일관되게 배열된 고체 물질로 전기적 특성이 우수해 고성능 반도체에 사용됨

이관형 교수는 이러한 한계를 해결하기 위해 ‘하이포택시’* 공정을 개발해 대면적 TMD 성장의 새 장을 열었다. ‘하이포’는 아래, ‘택시’는 배열을 뜻하는 용어로, 기존에 기판 위로 결정을 쌓는 에피택시 방식과는 반대로 위에 있는 2차원 재료가 아래로 성장하는 결정의 방향을 잡아주는 새로운 반도체 성장 기술이다. 이 공정은 기존에 단결정 성장이 어려웠던 비정질 이산화규소나 금속 기판 등의 표면에서도 고품질 TMD를 제조할 수 있어 소재·공정 호환성을 획기적으로 확장한 것이 특징이다.

하이포택시 : 금속 박막 위에 단결정 그래핀을 덮은 뒤 황·셀레늄 기체를 반응시키면 그래핀 표면의 나노 구멍을 통해 기체가 아래 금속층으로 침투해 금속이 TMD로 변환되며, 이때 그래핀의 결정 방향과 같은 방향을 가지면서 TMD 핵이 형성되고, 핵이 성장하면서 단결정을 만든 후 그래핀은 자연스럽게 제거됨

이관형 교수는 다양한 실험을 통해 하이포택시의 성능을 입증하였다. 우선 상용화가 가능한 수준인 4인치 웨이퍼 전면에 단결정 이황화몰리브덴 박막을 제조하는데 성공하였고, 금속 박막의 두께만 조절하여 TMD 층수를 정밀하게 제어하였으며, 세계 최고 수준의 전기적 성능도 확보하였다.

또한, 실제 반도체 제조공정과의 호환성도 확보하였으며, 이황화텅스텐, 이셀레늄화텅스텐 등 다양한 TMD 물질에도 적용 가능함을 확인하여 하이포택시가 범용적 2차원 반도체 성장 플랫폼임을 증명하였다.

본 연구는 과기정통부 기초연구지원사업의 지원을 받아 지난 2월 세계적 권위의 학술지 Nature에도 게재되었으며, 차세대 AI 반도체 대량생산의 새로운 저변을 열 것이 기대된다.

이관형 교수는 “예상과 완전히 반대되는 결과로부터 시작한 연구였는데, 실패한 연구도 놓치지 않고 집요하게 들여다보는 태도가 좋은 결과로 이어진 것 같다”면서, “향후 실리콘 이후의 반도체 플랫폼을 우리 손으로 설계하고 구현하고 싶다”고 포부를 밝혔다.

앞으로, 과기정통부는 과학기술 강국을 만들기 위해 과학기술인들이 AI, 바이오 등 첨단 기술 연구에 전념할 수 있는 연구 생태계를 조성하고, 우수한 성과를 내는 연구자에 대한 보상과 예우를 더욱 강화해나갈 계획이다.