첨단 전자산업의 핵심인 전자소자의 모든 구성요소를 용액공정이 가능한 무기 나노입자로 구현한 연구가 국내 연구자에 의해 세계 최초로 발표됐다.
한국지질자원연구원(KIGAM) 최지혁 박사가 수행한 고기능성 무기 나노입자 박막 구현 연구결과가 세계 3대 과학저널인 ‘사이언스(Science)지’에 게재됐다.
최 박사는 사이언스지 4월 8일자에 실린 ‘고기능성 구현을 위한 무기 나노입자의 유기적 결합 및 조합체계 연구 논문에 제1저자로 참여했으며, 최 박사의 지도교수인 펜실베니아대학 셰리 케이건 교수는 교신저자로 이름을 올렸다.
최근 나노입자는 활용이 용이한 박막형태로 제작되어 고기능성 차세대 핵심소재로 연구되고 있다. 박막형태의 무기 나노입자는 용액공정을 통해 저가의 대량생산이 가능하고 넓은 면적에 적용이 용이하기 때문에 기존 진공증착 방식의 실리콘 기반 반도체 산업을 대체할 차세대 전자부품 소재로 각광받고 있다.
하지만, 무기 나노입자를 박막형태로 만들었을 때의 단점은 전기전도성이 현저히 떨어진다는 것이다. 이는 나노입자들을 박막형태로 결합하고, 조합했을 때 나노입자들 사이 공간에 존재하는 유기분자들 때문이다.
따라서 현재까지 나노입자 박막의 활용은 시험적인 수준에 머물렀다. 대부분 전자소자 내 하나의 구성부품으로만 그 적용이 제한되어 왔으며, 소자의 나머지 부분들은 거대한 장비가 필요하고, 비용부담이 큰 기존의 전통적인 진공증착 공정을 통해 제작됐다.
이번 사이언스 논문에 발표된 최 박사의 연구결과를 활용하면 간단한 용액공정 만으로 위와 같은 문제를 해결할 수 있다. 최 박사가 제시한 새로운 기술을 적용하면 전통적인 진공증착 방식 대신 저가의 용액공정을 기반으로 전자소자의 모든 구성부품을 제조할 수 있다. 세계 최초로 나노입자 박막의 조합 체계를 최적화할 수 있는 원천기술을 확보한 것이다.
기존에도 용액공정을 기반으로 나노입자 박막을 만들어 활용하기는 했지만, 신뢰성을 확보할 수 없어 일부 구성요소 제조에만 한정됐다.
하지만 최 박사는 용액공정을 통한 박막화 과정, 그리고 더 나아가서 여러 층의 나노입자 박막이 적층되는 과정에서도 나노입자들의 기능을 떨어뜨리지 않을 수 있는 기술을 확보하고, 모든 구성요소에 용액공정을 적용하는데 성공했다.
특히, 전자소자 제작의 막바지 단계에서 반도체 층을 활성화시키기 위해 도핑 처리를 하는데, 역시 진공증착 방식을 사용하던 이 도핑공정 단계까지 용액공정으로 처리할 수 있어 진정한 ‘전 공정 용액공정화’를 이뤄낸 최초의 연구결과라 할 수 있다.
최 박사는 이번 연구를 위해 용액공정이 가능한 다양한 나노기술을 개발하고, 각 기술들을 효과적으로 융합하여 진공증착된 박막의 특성에 준하는 고기능성 나노입자 박막을 구현해냈다.
이번 연구결과는 전도체, 반도체, 절연체의 특성을 갖는 나노입자 박막의 조합 체계를 최적화할 수 있는 원천기술 확보를 의미한다. 저가의 용액공정을 기반으로 기존 전자소자의 전 구성부품을 대체할 수 있을 것으로 기대된다.
특히, 이 기술은 현재 전자산업에서 채택하고 있는 최적화된 반도체 양산 공정에 곧바로 적용이 가능하기 때문에 산업화 가능성이 높다.
또한, 용액공정을 활용하는 이 기술은 설비비용이 낮고, 소규모 장비로 구현이 가능해 상대적으로 자금력이 부족한 중소기업들에게 전자소자 제조산업 진출의 길을 열어줄 수 있어 의미가 크다.
최지혁 박사는 “앞으로는 나노연구가 상용가능한 차원에서 모든 전자부품에의 적용을 위한 실용적 연구로 더 활발해질 것”이라며, “산업적 수요에 따라 다양한 분야에 응용될 수 있을 것”이라고 말했다.