국내 연구진이 반도체 핵심 소자인 강유전체를 화학물질 없이 식각할 수 있는 방법을 세계 최초로 개발했다. 이를 활용하면 고비용 리소그래피 장비 없이 더욱 빠르게 나노구조 반도체를 제작할 수 있을 전망이다.

KAIST는 신소재공학과 홍승범 교수가 제네바대학교와 공동연구로 강유전체 표면의 비대칭 마멸 현상을 세계 최초로 규명하고, 이를 활용해 혁신적인 나노패터닝 기술을 개발했다고 26일 밝혔다. 

강유전체는 외부 전기장 없이 스스로 분극을 갖는 물질로 외부 전기장에 따라 분극 반향이 바뀔 수 있다.

공동연구팀은 원자간력현미경(Atomic Force Microscopy)으로 다양한 강유전체 마멸 현상을 관찰한 결과 전기적 분극 방향에 따라 마찰·마모(Tribology)되는 특성이 다르다는 것을 세계 최초로 발견했다. 

아울러 공동연구팀은 마찰·마모 원인으로 변전 효과(Flexoelectric effect)를 주목했다. 

변전 효과는 물질이 휘어졌을 때 분극이 발생하는 현상으로, 거시 규모에서 물질을 구부렸을 때 유도되는 분극 크기가 매우 작지만 나노스케일로 미세화 될 경우 매우 큰 변전 효과가 발생할 수 있다는 연구 결과가 나와 학계의 관심을 받고 있다.

공동연구팀은 나노단위에서 강한 응력을 가할 때 발생하는 변전 효과로 강유전체 내부 분극방향에 따른 상호작용으로 마찰·마모 특성이 바뀌는 것을 발견했다. 

또 이 같은 새로운 강유전체 마찰·마모 현상을 소재 나노 패터닝에 응용했다. 

이런 패터닝 방식은 기존 반도체 패터닝 방식과는 다르게 화학물질 및 고비용 리소그래피 장비가 필요하지 않아 기존 공정대비 매우 빠르게 나노 구조를 제작할 수 있는 장점이 있다.

이번 연구의 제1저자인 KAIST 신소재공학과 졸업생 조성우 박사는 “세계 최초로 강유전체 비대칭 마찰·마모를 관찰하고 규명한 것”이라며 “분극에 민감한 마찰·마모 비대칭성이 다양한 화학적 구성과 결정구조를 가진 강유전체에서 널리 적용될 수 있어 후속 연구를 기대할 수 있다”고 설명했다.

또 홍 교수는 “이번 연구에서 개발된 패터닝 기술은 기존 반도체 공정에서 쓰이는 공정과 달리 화학물질을 사용하지 않고 매우 낮은 비용으로 대면적 나노구조를 만들 수 있어 산업적 활용 잠재력을 갖고 있다”고 말했다.

대덕특구=이재형 기자 jh@kukinews.com