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| 제목 : "실리콘 반도체 한계 넘는다"…"2D 반도체" 난제 푼 혁신 합성기술
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| 2026년 10월 29일 16:49 최태범 기자 |
| "실리콘 반도체 한계 넘는다"…"2D 반도체" 난제 푼 혁신 합성기술 |
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 "현재 2차원(2D) 반도체 합성 기술은 '맛집의 레시피'와 비슷하다. 특정 연구그룹이나 장비에서는 좋은 시료를 만들 수 있지만 다른 곳에서 따라 하면 실패하는 경우가 많다. 우리 연구실의 역할은 이 맛집 레시피를 프랜차이즈화하는데 필요한 요소를 찾아내고 제어하는 것이다."
임현섭 GIST(광주과학기술원) 화학과 교수는 29일 서울 삼성동 코엑스에서 열린 '2026 K-프리미어 딥테크 페스타'에서 "합성 과정의 '손맛'을 숫자와 원리로 번역하면 누구라도 재현성 높게 2D 반도체 물질을 합성할 수 있을 것"이라며 이같이 말했다.
임 교수는 이날 '고품질 2차원 반도체 박막 합성 기술'을 주제로 발표했다. 화학과 반도체공학, 기초과학을 연결해 2차원 반도체 소재의 합성 원리를 규명하고 이를 산업적으로 활용할 수 있는 공정으로 발전시키는 연구다.
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실리콘 미세화 한계…'무엇으로 만들 것인가'가 관건
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 반도체 산업은 트랜지스터를 더 작게 만들어 하나의 칩에 더 많은 소자를 집적하는 방식으로 발전해 왔다. 하지만 반도체 공정이 2나노미터(㎚)급 이하로 미세화되면서 단순히 크기를 줄이는 것을 넘어 트랜지스터의 채널을 어떤 소재로 만들 것인지가 핵심 과제로 떠올랐다.
대안으로 주목받는 소재가 원자층 수준으로 얇은 2D 반도체다. 대표적으로 이황화몰리브덴(MoS₂), 이황화텅스텐(WS₂), 이셀레늄화텅스텐(WSe₂) 등 전이금속 디칼코게나이드(TMD) 계열 물질이 있다.
임 교수는 "실리콘만으로 집적도를 계속 높이는 데 물리적 한계가 다가오면서 향후에는 채널에 사용하는 물질의 변화가 필요하다"며 "TSMC와 삼성전자, 인텔 등 주요 반도체 기업도 MoS₂를 비롯한 2D 반도체 소재를 대상으로 연구를 진행하고 있다"고 했다.
2차원 반도체가 산업 현장에 적용되려면 넓은 웨이퍼 전체에 고품질 박막을 균일하게 만들어야 한다. 특히 서로 다른 방향으로 성장한 결정이 만나면서 생기는 '결정립계'를 줄이는 것이 핵심 과제다.
박막이 성장할 때 여러 지점에서 결정핵이 동시에 만들어지면 각각의 결정이 서로 다른 방향으로 커질 수 있다. 이 결정들이 맞닿은 경계에서는 전자가 산란해 이동을 방해받는다. 소자의 성능이 떨어지고 웨이퍼 위치에 따라 특성이 달라지는 원인이 된다.
임 교수 연구팀은 결정 방향을 맞추기 위해 기판의 결정 구조를 따라 박막을 성장시키는 '에피택셜 성장'에 주목했다. 다만 사파이어 기판의 대칭성과 MoS₂ 박막의 대칭성이 달라 180도 뒤집힌 두 방향의 결정이 함께 성장할 수 있다는 문제가 있었다.
연구팀은 사파이어 기판 표면의 원자 배열과 말단 구조를 조절하면 MoS₂ 결정이 특정 방향으로 성장하도록 유도할 수 있다는 점을 규명했다. 단순히 성공한 합성 조건을 찾는 데 그치지 않고 기판 표면이 결정의 방향을 어떻게 결정하는지 원자 수준에서 밝힌 것이 특징이다.
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"같은 레시피인데 결과 달라"…숨어 있는 변수 찾는다
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 임 교수는 고체 소재 합성의 어려움을 '스테이크 굽기'에 비유했다. 같은 고기와 조리법을 사용하더라도 고기를 불판에 올린 뒤 타이머를 누르는지, 타이머를 먼저 누른 뒤 고기를 올리는지에 따라 결과가 달라질 수 있다는 설명이다.
2D 반도체 합성도 마찬가지다. 전구체의 공급량과 기판 표면 상태, 반응 온도와 압력, 가스 흐름, 공정 순서의 미세한 차이가 박막의 두께와 결정 방향, 결함 밀도에 영향을 준다.
특히 2D 반도체는 낮게 잡아도 약 500도에 이르는 고온에서 합성된다. 온도가 높아질수록 예상하지 못한 화학반응이 일어날 가능성이 커져 원하는 물질만 선택적으로 성장시키기가 어려워진다.
연구팀은 기존 고체 원료 대신 기체 상태로 정밀하게 공급할 수 있는 무기 분자 전구체를 활용했다. 고체 원료는 가열 과정에서 실제로 얼마나 기화해 기판까지 전달되는지를 정밀하게 통제하기 어려운 반면 분자 전구체는 유량제어기와 밸브를 이용해 투입량을 세밀하게 조절할 수 있다.
임 교수는 "현재 고품질 2D 반도체 박막을 2인치 웨이퍼 수준까지 합성하는 기술을 개발했다"며 "기판 표면과 전구체 공급, 가스 흐름 등을 조절해 결정 크기를 키우고 결함을 제어하는 기술을 확보하고 있다"고 강조했다.
한편 K-프리미어 딥테크 페스타는 2024년 처음 열린 '테크마켓'을 확대·개편한 기술사업화 행사다. 과학기술정보통신부와 한국과학기술원(KAIST)·GIST·DGIST(대구경북과학기술원)·UNIST(울산과학기술원) 등 4대 과학기술원, 머니투데이 유니콘팩토리가 공동 주최했다.
4대 과기원이 각각 2건씩 총 8건의 사업화 유망 기술을 선보였으며, 연구자가 직접 기술의 개발 취지와 핵심 기능, 기존 기술과의 차별점, 산업적 활용성을 설명했다. 행사장 앞에는 상담회장도 마련돼 기술이전과 사업화를 검토하는 기업들이 연구자와 개별 상담을 진행했다.
임 교수는 각 연구팀의 성과를 축하하고 앞으로의 도전을 격려하기 위해 열린 시상식에서 장려상을 받았다. 심사는 과학기술사업화진흥원(COMPA)과 한국과학기술정보연구원(KISTI)이 기술의 완성도와 시장 연계 가능성, 산업적 파급효과 등을 토대로 진행했다.
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최태범 기자 bum_t@mt.co.kr
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