“2차원 반도체, 회로 직접 그린다”…UNIST-연세대, 친환경 패터닝 법 공개

2차원 반도체 소재를 이용해 기판 위에 복잡한 공정 없이 회로를 직접 그릴 수 있는 기술이 공개됐다. 울산과학기술원(UNIST)과 연세대학교 공동 연구팀이 저독성 알코올성 용매에 몰리브덴 이황화물(MoS2) 등 2차원 반도체 나노소재와 새롭게 설계한 가교제를 섞어, 자외선을 조사해 회로 형태로 굳히는 패터닝 제조법을 개발했다. 전통적 증착·식각 등 고온·화학약품 공정 없이 동작하며, 독성 유기용매의 사용을 줄여 소재 안전성과 환경 부담 저감에도 기여할 것으로 기대된다. 업계는 소재 자체 손상 없이 미세 회로 패턴을 형성하는 친환경 생산법의 등장에 주목하고 있다.

UNIST 김봉수 교수팀과 연세대 조정호, 강주훈 교수팀이 공동 개발한 이번 기술은 이소프로판올 등 친환경 용매를 이용해 2차원 나노소재의 균일 분산과 가교 화학 반응을 동시에 구현한다. 핵심은 EL-QD(양자점) 디스플레이 제조에 쓰이던 가교제 기반 자외선 패터닝 방식을, 기존 알코올성 용매에 잘 녹지 않던 아자이드 계열 가교제의 구조를 분석·변경해 이소프로판올에서도 사용 가능하게 했다는 점이다. 연구팀은 정량 분석 기법으로 최적 조성을 도출, 자외선 노출 후에는 원하는 부분만 회로로 고정되고, 여분 가교제는 간단히 물로 세정해 제거할 수 있도록 설계했다. 이러한 공정은 기존 증착, 식각, 플라즈마 등 고온·강산성 처리 단계에서 발생하는 2차원 소재의 손상을 방지하며 에너지 소비 역시 크게 줄인다.

2차원 반도체는 원자 두께의 얇은 층상 구조로 높은 집적도와 우수한 전기적 특성을 지닌 신소재다. 기존 반도체 공정으로는 손상, 불균일 분산과 같은 한계가 존재했지만, 이번 기술로 보다 정확한 회로 형성 및 소재 고유 성능 보존이 가능해졌다. 연구팀 관계자는 “초소형, 저전력 논리소자, AI 시스템 칩 등 첨단 분야에서 실용화될 방안이 매우 높다”고 강조했다.

글로벌 반도체 업계에서는 2차원 나노소재의 대량 양산 및 저전력 고속 회로 구현 기술 선점을 위해 미국, 유럽, 중국 등에서도 관련 연구가 활발하다. 기존 공정 대비 환경 규제 대응력, 경제성, 집적 성능이 중요해지는 만큼 국내 기술 경쟁력 확대가 기대된다.

특히 고성능 소재의 균일 패터닝을 가능케 한 UNIST-연세대의 친환경 가교제 기술은 차세대 반도체 칩의 저비용·고효율 생산 환경 구축에 실질적으로 기여할 수 있다는 평가를 받고 있다. 이번 연구는 삼성미래기술육성사업의 지원을 받아, 국제 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼’ 게재를 앞두고 있다.

업계는 새로운 공정 기술이 실제 상업적 반도체 생산 현장에 언제, 어떻게 적용될지 주의 깊게 살피고 있다. 전문가들은 “공정 혁신과 소재 개발이 병행돼야 대규모 시장 확산이 이뤄질 수 있다”며 “기술과 환경, 산업 구조의 균형이 차세대 반도체 경쟁의 선결 과제”로 분석했다.