스탠퍼드 연구진, 복잡한 반도체 자조립 기술로 대량 생산 길 열다

극도로 얇은 물질 박막을 층층이 쌓으면 완전히 새로운 특성을 가진 소재가 탄생합니다. 하지만 기존 적층 공정은 번거롭고 불완전하며 대량 생산에 부적합했습니다.

스탠퍼드대 헤마말라 카루나다시(Hemamala Karunadasa) 교수팀이 이를 획기적으로 단순화했습니다. 가장 주목받는 소재 중 하나인 페로브스카이트(perovskite)의 2차원 층을 다른 물질의 얇은 층과 번갈아 쌓은 거대 결정체를 물속에서 스스로 조립되도록 만든 것입니다.

막대 모양 분자가 이끄는 자기조립

조립은 화학 성분과 양끝에 서로 다른 층 성장을 위한 템플릿을 가진 '막대 모양 분자(barbell-shaped molecules)'가 물속에서 뒤섞이며 일어납니다. 결정화가 진행되면서(사탕 결정 만들기와 유사한 과정) 이 막대 분자들이 층들을 정확한 순서로 자동 연결합니다.

"물질 층을 한 장씩 조작하는 대신, 이온들을 물에 넣고 스스로 조립되게 합니다."라고 카루나다시 교수는 말합니다. "그램 단위로 생산 가능하며 결정 내 원자 위치를 정확히 알 수 있어 층간 계면의 전자 구조를 정밀하게 이해할 수 있습니다."

기존 박막 공정의 한계 극복

할라이드 페로브스카이트는 1900년대부터 물에서 합성돼 왔으며 태양전지 효율이 높지만 열과 빛에 불안정하다는 단점이 있었습니다. 다른 물질과 적층하면 성능을 개선할 수 있고, 층이 만나는 계면에서 완전히 새로운 특성이 나타날 수도 있습니다(예: 두 절연체 박막 적층으로 도체 생성).

기존 박막 제작은 그래파이트에서 그래핀을 벗겨내듯 원자 한두 층 두께의 박막을 한 장씩 떼어내거나, 초고온에서 소량 제작하는 방식이라 확장성이 낮고 재현성이 떨어졌습니다. "원자 두께 층을 벗겨내는 건 전문 작업이며, 최종 적층 구조를 정확히 알기 어렵습니다."라고 카루나다시 교수는 지적합니다.

사탕 결정 만들기와 같은 원리

연구진은 포화 설탕 용액에 나무 막대를 넣어 사탕 결정을 자라게 하는 것과 동일한 원리로, 씨앗 막대 없이도 물속이나 유리병 표면에서 결정이 자라게 했습니다. 페로브스카이트를 금속 할라이드나 금속 황화물과 번갈아 적층한 6가지 자기조립 소재를 만들고, 첨단 광원(Advanced Light Source)의 X선으로 분석했습니다.

이 기술은 복잡한 반도체를 의도적으로, 대량으로, 정밀하게 제작하는 새로운 길을 열었습니다.