[세종=뉴스핌] 이경태 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 화학과 박선아 교수 연구팀이 국립부경대학교, 포항공과대학교(POSTECH), 연세대학교 연구진과 공동으로 금속과 유기 분자를 결합한 소재를 얇고 정밀하게 가공해 반도체의 게이트 전극으로 구현했다고 26일 밝혔다.

연구팀이 사용한 소재는 전기가 흐르는 금속-유기 구조체(MOF)다. 연구팀은 이 소재를 전계효과 트랜지스터(FET)의 게이트 전극에 적용해 작동 여부를 확인했다. 트랜지스터는 전기 신호에 따라 전류를 켜고 끄거나 조절하는 반도체의 기본 부품으로, 게이트 전극에 걸리는 전압으로 전류 흐름을 제어한다.

현재 게이트 전극에는 주로 금속이 쓰이지만 소재별로 전자적 성질이 고정돼 있어 반도체 조건에 맞춰 바꾸는 데 제약이 있다. 반면 MOF는 금속과 유기 분자의 조합을 바꿔 전자가 소재 밖으로 나오는 데 필요한 에너지 장벽인 일함수 등 전기적 성질을 조절할 수 있다. 다만 분말 형태로 얻어지는 MOF를 두께가 균일한 박막으로 만들고, 소자에 필요한 형태로 정밀 가공해야 하는 기술적 과제가 있었다.

연구팀은 기체 상태의 원료를 반응시켜 박막을 만드는 화학기상증착(CVD) 방식으로 MOF 박막을 만든 뒤, 빛으로 미세 패턴을 형성하는 포토리소그래피와 식각 공정을 적용해 전극 형태로 가공했다. 가공 과정에서 소재 손상을 줄이기 위해 반응 속도가 느린 과황산암모늄(APS) 식각액으로 기본 형태를 만들고, 반응이 빠른 크로뮴 식각액을 짧게 사용해 남은 물질을 제거하는 방식을 적용했다. 이 과정을 거친 뒤에도 소재의 구조와 화학적 상태, 전기적 특성은 대부분 유지된 것으로 나타났다.

연구팀은 이렇게 만든 전극을 이황화몰리브덴(MoS₂), 이텔루륨화몰리브덴(MoTe₂), 산화물 반도체(IGZO) 등 서로 다른 세 종류의 반도체에 적용해 모두 정상 작동하는 것을 확인했다. MoS₂ 반도체에서는 기존 백금 전극과 비교한 결과 전류가 흐르기 시작하는 전압과 전하 이동 특성이 비슷하게 나타났다. 하나의 기판에 IGZO 트랜지스터 23개를 배치하고 한 번의 가공으로 전극을 동시에 만드는 시험에서도 23개 모두 정상 작동했다. IGZO 트랜지스터는 게이트 전압을 400회 연속 구동한 뒤에도 성능을 유지했으며, MoS₂ 트랜지스터는 약 1년간 대기 중 보관한 뒤에도 작동 특성이 유지됐다.

박선아 교수는 "이번 연구는 전도성 MOF가 단순히 전기가 흐르는 신소재에 머무르지 않고, 기존 반도체 공정으로 가공해 실제 전계효과 트랜지스터의 전극으로 사용할 수 있음을 보여준 연구"라고 말했다.

이번 연구에는 POSTECH 이현우 박사가 제1저자로, 박선아 교수와 POSTECH 최희철 교수, 국립부경대 박지훈 교수가 교신저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 지난 9월 15일 게재됐다. 연구팀은 한국연구재단의 탑-티어 및 글로컬 R&D 과제 지원을 받아 연구를 수행했다.

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