- 열가소성 중합체 폴리케톤 고분자 기반의 고차단성 포장 필름소재 개발 - 식품·화장품·의약품·침출수 포장막 등 다양한 분야 적용 및 상용화 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장직무대행 윤석진) 광전하이브리드연구센터 곽순종 박사팀은 효성화학㈜(대표 이건종) 조성민 사업단장팀과의 공동 연구를 통해 기체차단성이 우수하면서도 습도에 강하고, 유연성이 우수한 고분자 패키징 신소재를 개발했다고 밝혔다. 기체차단 패키징 소재는 오늘날 여러 산업분야에서 다양한 제품에 사용되고 있다. 우리 일상생활과 가장 가까운 사례로는 식품포장으로 산소와 수증기의 침투를 차단함으로써 식품을 주위 환경으로부터 보호하여 품질을 유지하는 매우 중요한 기능을 수행한다. 현재 식품포장용 기체차단 패키징 소재로는 1970년대에 일본에서 처음 상용화된 ‘에틸렌 비닐 알코올(EVOH, Ethylene Vinyl Alcohol Copolymer)’ 고분자 소재가 널리 사용되고 있다. ‘EVOH’는 상용 고분자 중에서 기체차단성이 가장 우수한 장점을 가지고 있으나, 습도에 약하고 유연성이 떨어지는 단점이 있고 특히 높은 가격으로 인해 보다 광범위한 제품 적용에 어려움을 겪고 있었다. 이번 KIST와 효성화학㈜이 공동으로 개발한 고분자 기반의 패키징 신소재는 2015년 효성화학㈜이 양산화에 성공한 ‘폴리케톤’(Polyketone) 소재와 EVOH를 혼합 및 변성시키는 기술 (Blend & Alloy)로 개발되었다. 이 신소재는 폴리케톤에 EVOH를 30% 가량 소량 혼합하였는데도, 순수한 EVOH와 동등한 기체차단성을 지니면서 습도저항성 및 유연성이 획기적으로 향상된 특성을 보였다. 또한, 전 세계적으로 효성화학㈜이 독점 생산하는 폴리케톤을 활용한 이번 신소재는 순수한 EVOH에 비해 가격경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 전망하고 있다. KIST-효성화학㈜ 공동연구진은 이번 폴리케톤 기반 패키징 신소재가 지금까지 학계 및 산업계에서 발표되지 않은 매우 독특한 기체차단 특성 및 기계적 물성을 보이는 것을 확인했고, KIST 곽순종 박사는 “폴리케톤의 우수한 화학적, 기계적 특성과 EVOH의 높은 기체차단성을 결합시켜 최상의 시너지 효과를 얻은 결과이다.”라고 밝혔다. 공동연구진은 식품포장 뿐 아니라 화장품, 의약품 포장재 및 자동차 연료탱크, 연료파이프, 진공 단열 패널, 매립지의 침출수 포장막(geomembrane) 등 광범위한 분야에 적용 가능하여 사회· 경제적으로 큰 파급효과를 일으킬 것으로 기대하고 있다. KIST 곽순종 박사는 “저렴하면서도 식품을 보다 장시간 안전하게 보존할 수 있는 우수한 물성의 식품포장재 기술은 앞으로 다가올 전 세계적 식량 문제에 대해 효과적으로 대응할 수 있는 강력한 무기가 될 것으로 전망한다.”라고 이번 개발의 의의를 밝혔다. 효성화학㈜ 조성민 폴리케톤 사업단장은 “이 기술에 대한 파일롯 단계의 실험 검증은 이미 마친 상태이며, 현재는 식품저장성 평가 및 양산 공정 테스트와 같은 제품 생산의 마지막 검증 단계를 밟고 있어 사업화에 매우 근접해 있다”라고 밝혔다. 이번 연구결과는 KIST-효성화학㈜ 공동 특허 출원을 통해 지적재산권을 확보함과 동시에 효성화학㈜으로의 기술이전을 통해 사업화가 진행되고 있다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원의 KIST 주요사업, 효성화학㈜ 연구지원사업, 농림축산식품부(장관 김현수) 지원의 고부가가치 식품기술개발사업으로 수행되었다. <그림설명> [그림] KIST-효성화학(주) 공동개발한 폴리케톤 고분자 기반의 고차단성 패키징 필름 신소재 제작 및 필름 모습

- 열가소성 중합체 폴리케톤 고분자 기반의 고차단성 포장 필름소재 개발 - 식품·화장품·의약품·침출수 포장막 등 다양한 분야 적용 및 상용화 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장직무대행 윤석진) 광전하이브리드연구센터 곽순종 박사팀은 효성화학㈜(대표 이건종) 조성민 사업단장팀과의 공동 연구를 통해 기체차단성이 우수하면서도 습도에 강하고, 유연성이 우수한 고분자 패키징 신소재를 개발했다고 밝혔다. 기체차단 패키징 소재는 오늘날 여러 산업분야에서 다양한 제품에 사용되고 있다. 우리 일상생활과 가장 가까운 사례로는 식품포장으로 산소와 수증기의 침투를 차단함으로써 식품을 주위 환경으로부터 보호하여 품질을 유지하는 매우 중요한 기능을 수행한다. 현재 식품포장용 기체차단 패키징 소재로는 1970년대에 일본에서 처음 상용화된 ‘에틸렌 비닐 알코올(EVOH, Ethylene Vinyl Alcohol Copolymer)’ 고분자 소재가 널리 사용되고 있다. ‘EVOH’는 상용 고분자 중에서 기체차단성이 가장 우수한 장점을 가지고 있으나, 습도에 약하고 유연성이 떨어지는 단점이 있고 특히 높은 가격으로 인해 보다 광범위한 제품 적용에 어려움을 겪고 있었다. 이번 KIST와 효성화학㈜이 공동으로 개발한 고분자 기반의 패키징 신소재는 2015년 효성화학㈜이 양산화에 성공한 ‘폴리케톤’(Polyketone) 소재와 EVOH를 혼합 및 변성시키는 기술 (Blend & Alloy)로 개발되었다. 이 신소재는 폴리케톤에 EVOH를 30% 가량 소량 혼합하였는데도, 순수한 EVOH와 동등한 기체차단성을 지니면서 습도저항성 및 유연성이 획기적으로 향상된 특성을 보였다. 또한, 전 세계적으로 효성화학㈜이 독점 생산하는 폴리케톤을 활용한 이번 신소재는 순수한 EVOH에 비해 가격경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 전망하고 있다. KIST-효성화학㈜ 공동연구진은 이번 폴리케톤 기반 패키징 신소재가 지금까지 학계 및 산업계에서 발표되지 않은 매우 독특한 기체차단 특성 및 기계적 물성을 보이는 것을 확인했고, KIST 곽순종 박사는 “폴리케톤의 우수한 화학적, 기계적 특성과 EVOH의 높은 기체차단성을 결합시켜 최상의 시너지 효과를 얻은 결과이다.”라고 밝혔다. 공동연구진은 식품포장 뿐 아니라 화장품, 의약품 포장재 및 자동차 연료탱크, 연료파이프, 진공 단열 패널, 매립지의 침출수 포장막(geomembrane) 등 광범위한 분야에 적용 가능하여 사회· 경제적으로 큰 파급효과를 일으킬 것으로 기대하고 있다. KIST 곽순종 박사는 “저렴하면서도 식품을 보다 장시간 안전하게 보존할 수 있는 우수한 물성의 식품포장재 기술은 앞으로 다가올 전 세계적 식량 문제에 대해 효과적으로 대응할 수 있는 강력한 무기가 될 것으로 전망한다.”라고 이번 개발의 의의를 밝혔다. 효성화학㈜ 조성민 폴리케톤 사업단장은 “이 기술에 대한 파일롯 단계의 실험 검증은 이미 마친 상태이며, 현재는 식품저장성 평가 및 양산 공정 테스트와 같은 제품 생산의 마지막 검증 단계를 밟고 있어 사업화에 매우 근접해 있다”라고 밝혔다. 이번 연구결과는 KIST-효성화학㈜ 공동 특허 출원을 통해 지적재산권을 확보함과 동시에 효성화학㈜으로의 기술이전을 통해 사업화가 진행되고 있다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원의 KIST 주요사업, 효성화학㈜ 연구지원사업, 농림축산식품부(장관 김현수) 지원의 고부가가치 식품기술개발사업으로 수행되었다. <그림설명> [그림] KIST-효성화학(주) 공동개발한 폴리케톤 고분자 기반의 고차단성 패키징 필름 신소재 제작 및 필름 모습

- 열가소성 중합체 폴리케톤 고분자 기반의 고차단성 포장 필름소재 개발 - 식품·화장품·의약품·침출수 포장막 등 다양한 분야 적용 및 상용화 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장직무대행 윤석진) 광전하이브리드연구센터 곽순종 박사팀은 효성화학㈜(대표 이건종) 조성민 사업단장팀과의 공동 연구를 통해 기체차단성이 우수하면서도 습도에 강하고, 유연성이 우수한 고분자 패키징 신소재를 개발했다고 밝혔다. 기체차단 패키징 소재는 오늘날 여러 산업분야에서 다양한 제품에 사용되고 있다. 우리 일상생활과 가장 가까운 사례로는 식품포장으로 산소와 수증기의 침투를 차단함으로써 식품을 주위 환경으로부터 보호하여 품질을 유지하는 매우 중요한 기능을 수행한다. 현재 식품포장용 기체차단 패키징 소재로는 1970년대에 일본에서 처음 상용화된 ‘에틸렌 비닐 알코올(EVOH, Ethylene Vinyl Alcohol Copolymer)’ 고분자 소재가 널리 사용되고 있다. ‘EVOH’는 상용 고분자 중에서 기체차단성이 가장 우수한 장점을 가지고 있으나, 습도에 약하고 유연성이 떨어지는 단점이 있고 특히 높은 가격으로 인해 보다 광범위한 제품 적용에 어려움을 겪고 있었다. 이번 KIST와 효성화학㈜이 공동으로 개발한 고분자 기반의 패키징 신소재는 2015년 효성화학㈜이 양산화에 성공한 ‘폴리케톤’(Polyketone) 소재와 EVOH를 혼합 및 변성시키는 기술 (Blend & Alloy)로 개발되었다. 이 신소재는 폴리케톤에 EVOH를 30% 가량 소량 혼합하였는데도, 순수한 EVOH와 동등한 기체차단성을 지니면서 습도저항성 및 유연성이 획기적으로 향상된 특성을 보였다. 또한, 전 세계적으로 효성화학㈜이 독점 생산하는 폴리케톤을 활용한 이번 신소재는 순수한 EVOH에 비해 가격경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 전망하고 있다. KIST-효성화학㈜ 공동연구진은 이번 폴리케톤 기반 패키징 신소재가 지금까지 학계 및 산업계에서 발표되지 않은 매우 독특한 기체차단 특성 및 기계적 물성을 보이는 것을 확인했고, KIST 곽순종 박사는 “폴리케톤의 우수한 화학적, 기계적 특성과 EVOH의 높은 기체차단성을 결합시켜 최상의 시너지 효과를 얻은 결과이다.”라고 밝혔다. 공동연구진은 식품포장 뿐 아니라 화장품, 의약품 포장재 및 자동차 연료탱크, 연료파이프, 진공 단열 패널, 매립지의 침출수 포장막(geomembrane) 등 광범위한 분야에 적용 가능하여 사회· 경제적으로 큰 파급효과를 일으킬 것으로 기대하고 있다. KIST 곽순종 박사는 “저렴하면서도 식품을 보다 장시간 안전하게 보존할 수 있는 우수한 물성의 식품포장재 기술은 앞으로 다가올 전 세계적 식량 문제에 대해 효과적으로 대응할 수 있는 강력한 무기가 될 것으로 전망한다.”라고 이번 개발의 의의를 밝혔다. 효성화학㈜ 조성민 폴리케톤 사업단장은 “이 기술에 대한 파일롯 단계의 실험 검증은 이미 마친 상태이며, 현재는 식품저장성 평가 및 양산 공정 테스트와 같은 제품 생산의 마지막 검증 단계를 밟고 있어 사업화에 매우 근접해 있다”라고 밝혔다. 이번 연구결과는 KIST-효성화학㈜ 공동 특허 출원을 통해 지적재산권을 확보함과 동시에 효성화학㈜으로의 기술이전을 통해 사업화가 진행되고 있다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원의 KIST 주요사업, 효성화학㈜ 연구지원사업, 농림축산식품부(장관 김현수) 지원의 고부가가치 식품기술개발사업으로 수행되었다. <그림설명> [그림] KIST-효성화학(주) 공동개발한 폴리케톤 고분자 기반의 고차단성 패키징 필름 신소재 제작 및 필름 모습

KIST, 휴온스바이오파마와 ‘건성 황반변성 펩타이드 치료제’ 기술이전 협약 체결 - KIST Bridge Program Plus 사업을 통한 기술이전 협력 체계 구축 - 건성 황반변성 펩타이드 치료제 기술 상용화 협력 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록)은 12월 17일(화), 서울 성북구 KIST 본원에서 휴온스바이오파마(대표이사 김영목)와 건성 황반변성 치료용 펩타이드 치료제 개발을 위한 기술이전 조인식을 개최했다고 밝혔다. 이번 협약에 따라 두 기관은 향후 14개월간 협력 연구를 수행해, 고령자를 위한 건성 황반변성 펩타이드 치료제 기술의 상용화에 박차를 가할 계획이다. 올해 9월, KIST의 임무중심연구소 중 하나로 출범한 천연물신약사업단은 지난 20여 년간 강릉 천연물연구소에서 축적한 신약 개발 역량을 바탕으로 글로벌 천연물신약 개발에 도전하고 있다. 사업단은 첨단 바이오 융합 기술을 통해 암과 황반변성 등 대표적인 노인성 난치 질환 치료를 목표로 후보 소재를 발굴하고, 각 소재별 TPP(Target Product Profile)를 설정하여 제약기업 및 CRO 등과의 외부 협력을 통해 체계적인 신약 개발을 추진할 계획이다. 이번에 개발된 건성 황반변성 펩타이드 치료제는 강원도 내 혁신기관들과의 긴밀한 협력을 통해 발굴된 사업단의 중점 소재 중 하나다. 향후 휴온스바이오파마와의 협력을 통해 글로벌 임상시험을 진행할 예정이다. 연구 책임자인 KIST 서문형 박사는 “임무 중심 연구를 위해 9월에 출범한 KIST 천연물신약사업단은 노인성 질환, 특히 암과 안과 질환 치료를 위한 글로벌 신약 개발을 목표로 한다”라며 “기술이전 및 BP플러스 사업을 통해 기업과 공동연구실을 운영할 계획이며, 기술의 빠른 상용화를 기대한다”고 밝혔다. 오상록 원장은 “KIST와 휴온스바이오파마의 협력은 기술이전 계약을 체결한 기업의 상용화 과정을 적극적으로 지원하는 BP플러스 사업의 대표적 예가 될 것이다. 또한 올해 KIST가 시행한 임무중심 연구소의 첫 성과라 더욱 뜻 깊다. 휴온스바이오파마의 협력을 통해 KIST의 기술이 국민의 건강한 삶에 기여하기를 기대한다”라고 말했다. 휴온스바이오파마 김영목 대표는“고령화 시대에 유망한 펩타이드 치료제 연구개발 관련 파이프라인을 확보해 노인성 질환 시장에서 경쟁력을 높이겠다”며 “KIST와 긴밀히 협력해 건성 황반변성 혁신신약의 글로벌 임상시험을 추진하고 품목허가를 취득하겠다”고 밝혔다. 한편, 휴온스바이오파마는 보툴리눔톡신 등 바이오사업을 영위하는 휴온스그룹 자회사다. 지난 2021년 휴온스글로벌의 바이오사업부를 물적분할해 설립했다. [사진1] (좌측부터) 윤성태 휴온스바이오파마 회장, 오상록 KIST 원장이 기술이전 조인식을 마치고 기념촬영을 하고 있다. [사진2] 기술이전 조인식에 참석한 기관의 주요 관계자들이 조인식을 마치고 기념촬영을 하고 있다.

KIST, 흑린(黑燐) 소재기반 차세대 트랜지스터 개발 가능성 열어 - 차세대 반도체 물질인 흑린(black phosphorus)의 특성을 제어하여 고성능트랜지스터 개발 - 무기물 보호막을 적용해 안정적인 소자 특성 확보 다양한 전자 기계가 발달하면서 투명하면서도 휘어지는 성질을 가진 고성능의 반도체 개발에 대한 필요가 증가하고 있다. 그러나 현재 주로 사용되는 실리콘 소재의 반도체로는 이러한 반도체를 만들기 어려워 신소재에 대한 연구가 활발하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계면제어연구센터 최원국 박사, 송용원 박사 연구팀이 신소재인 흑린을 이용해 안정성과 성능이 높은 트랜지스터(transistor)를 개발했다. 흑린은 공기 중에서 반응속도가 너무 높아 불안정하다는 단점 때문에 트랜지스터로 만들기에 어려움이 많았다. 연구팀은 반응을 억제하기 위해 보호막을 씌워 안정성을 확보했다. 이렇게 개발된 트랜지스터는 안정적일 뿐 아니라 성능도 뛰어나 차세대 반도체 개발에 한층 가까워졌다는 평가이다. 그래핀은 2004년 발견된 이래, 실리콘을 대체할 차세대 반도체 재료로써 각광 받아왔지만 도체인 금속 성질이 더 우세하여 반도체에 적용하기에 어려운 점이 많았다. 이러한 단점을 보완하기 위해, 이황화몰리브덴 등의 재료가 트랜지스터로써 개발되었지만, 성능부분에서 한계가 있었다. 흑린(black phosphorus)은 인(phosphorus)과 원소는 같으나 모양과 성질이 다른 동소체로 그래핀과 마찬가지로 두께가 원자 수준으로 얇으며 원자가 층 구조인 물질이다. 이런 특성으로 인해 흑린은 기존 물질을 대체할 차세대 반도체 재료로 관심이 높다. 하지만 공기 중에서의 반응속도가 너무 높아 안정적이지 못해 반도체 소자를 제작하고 구동하는데 어려움이 많았다. 연구팀은 공기 중에서 흑린이 직접적으로 반응하는 것을 억제하기 위해, 흑린에 무기물인 얇은 산화알루미늄(Al2O3) 막을 보호층으로 감쌌다. 무기물 막은 만들어지는 과정에서 열이 발생하는데 정확한 분석을 위해 열로 인한 효과와 무기물 막으로 인한 효과를 분리하여 분석했다. 연구팀은 각각의 공정에서 저주파 잡음(low-frequency noise)을 비롯한 전기적 측정 및 분석을 수행했다.(그림 3). 그 결과 열로 인한 효과와 별도로, 저주파 잡음 수준이 산화알루미늄 보호막 증착을 통해 줄어드는 것을 확인하였다.(그림 4) ※ 저주파 잡음 분석 : 반도체 소자 내에서의 전하 이동 메커니즘 및 소자의 신뢰성을 평가할 수 있는 측정 및 분석 방법. 반도체 소자가 소형화 될수록 신호 대비 저주파 잡음 비율이 높아진다는 점으로 볼 때, 저주파 잡음 특성이 낮게 나타나면 소자가 성능이 좋아지고 소형화 및 집적화에 유리하다고 볼 수 있다. 또한 추가적으로 광학현미경 사진과 라만 분석을 통해 2개월 후에도 산화알루미늄막이 보호층으로 작동하여 흑린이 공기 중에도 안정적으로 존재할 수 있다는 것을 밝혔다.(그림 5) 이는 산화알루미늄 보호층을 적용한 흑린 트랜지스터 소자가 안정적이고 효과적으로 사용될 수 있음을 보여주는 것이다. ※ 라만 분석 : 물질 고유의 분자 진동수가 존재한다는 원리를 바탕으로 재료의 특성을 파악할 수 있는 분광법. 본 연구에서는 흑린의 존재 여부를 판단하는데 이용되었다. 이와 같이 개발된 흑린 트랜지스터는 향후 디스플레이용 박막 트랜지스터, CPU, 메모리 등의 반도체산업에 활용될 가능성이 있다. 박막 트랜지스터의 경우, 현재 상용화 단계인 저온폴리실리콘, 금속산화물 등의 재료에 비해 성능이 뛰어나며, 유연성과 투명성을 갖출 수 있다는 점에서 기대가 되는 물질이다. 하지만 대량생산을 위해서는 흑린 소재를 균일하고 대면적으로 합성할 수 있는 기술의 개발이 추후 보완되어야 한다. 본 연구에서는 위와 같은 응용분야에서 흑린이 트랜지스터로써 안정적으로 동작할 수 있다는 것을 밝히고, 기본적인 소자 특성을 평가하고 개선하였다는데 그 의의가 있다. 제 1저자인 나준홍 박사는 “이번 연구결과를 통해 그동안 논란이 되어왔던 흑린 소재의 트랜지스터가 안정적으로 구동된다는 것을 확인할 수 있었다”며, “나아가서 이번 연구는 흑린 내에서의 전하 이동 메커니즘을 이해하는데도 큰 도움이 될 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계면제어연구센터 최원국 박사, 송용원 박사 연구팀에서 진행된 연구로, 무기물 보호층을 적용하여 수 나노미터(nanometer) 두께의 흑린을 대기 중에서도 안정적으로 구동할 수 있는 트랜지스터로써 탈바꿈 시켰을 뿐만 아니라, 저주파 잡음 측정을 통하여 흑린 트랜지스터의 동작 원리를 분석하고 성능이 개선된 것을 확인하였다. 이번 연구 성과는 ACS Nano에 “Few-Layer Black Phosphorus Field-Effect Transistors with Reduced Current Fluctuation” (DOI: 10.1021/nn5052376)라는 제목으로 11월 4일(화)에 온라인 게재되었다. 이번 연구는 KIST의 기관고유연구사업 지원으로 수행되었다. ○ 연구진: ■ Dr. 송용원, 책임연구원, 계면제어연구센터, KIST ■ Dr. 최원국, 책임연구원, 계면제어연구센터, KIST ■ Dr. 나준홍, 박사후연구원, 계면제어연구센터, KIST ○ 관련자료 <그림 1> 세 개의 흑린 층을 표현한 모식도 <그림 2> 트랜지스터로 제작된 흑린의 광학 현미경 사진(왼쪽)과 3차원 현미경 사진(오른쪽) <그림 3> 열처리와 산화알루미늄 보호막 증착을 통한 트랜지스터 소자 변수 개선 확인 그래프 <그림 4> 산화알루미늄 보호층 효과로 인한 흑린 트랜지스터의 저주파 잡음 특성 개선 확인 그래프 <그림 5> 광학현미경 사진과 라만 분석을 통해 안정성 검사를 실시한 결과, 2개월 후에도 흑린이 공기 중에서 존재할 수 있다는 것을 보여주는 그래프

KIST, 흑린(黑燐) 소재기반 차세대 트랜지스터 개발 가능성 열어 - 차세대 반도체 물질인 흑린(black phosphorus)의 특성을 제어하여 고성능트랜지스터 개발 - 무기물 보호막을 적용해 안정적인 소자 특성 확보 다양한 전자 기계가 발달하면서 투명하면서도 휘어지는 성질을 가진 고성능의 반도체 개발에 대한 필요가 증가하고 있다. 그러나 현재 주로 사용되는 실리콘 소재의 반도체로는 이러한 반도체를 만들기 어려워 신소재에 대한 연구가 활발하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계면제어연구센터 최원국 박사, 송용원 박사 연구팀이 신소재인 흑린을 이용해 안정성과 성능이 높은 트랜지스터(transistor)를 개발했다. 흑린은 공기 중에서 반응속도가 너무 높아 불안정하다는 단점 때문에 트랜지스터로 만들기에 어려움이 많았다. 연구팀은 반응을 억제하기 위해 보호막을 씌워 안정성을 확보했다. 이렇게 개발된 트랜지스터는 안정적일 뿐 아니라 성능도 뛰어나 차세대 반도체 개발에 한층 가까워졌다는 평가이다. 그래핀은 2004년 발견된 이래, 실리콘을 대체할 차세대 반도체 재료로써 각광 받아왔지만 도체인 금속 성질이 더 우세하여 반도체에 적용하기에 어려운 점이 많았다. 이러한 단점을 보완하기 위해, 이황화몰리브덴 등의 재료가 트랜지스터로써 개발되었지만, 성능부분에서 한계가 있었다. 흑린(black phosphorus)은 인(phosphorus)과 원소는 같으나 모양과 성질이 다른 동소체로 그래핀과 마찬가지로 두께가 원자 수준으로 얇으며 원자가 층 구조인 물질이다. 이런 특성으로 인해 흑린은 기존 물질을 대체할 차세대 반도체 재료로 관심이 높다. 하지만 공기 중에서의 반응속도가 너무 높아 안정적이지 못해 반도체 소자를 제작하고 구동하는데 어려움이 많았다. 연구팀은 공기 중에서 흑린이 직접적으로 반응하는 것을 억제하기 위해, 흑린에 무기물인 얇은 산화알루미늄(Al2O3) 막을 보호층으로 감쌌다. 무기물 막은 만들어지는 과정에서 열이 발생하는데 정확한 분석을 위해 열로 인한 효과와 무기물 막으로 인한 효과를 분리하여 분석했다. 연구팀은 각각의 공정에서 저주파 잡음(low-frequency noise)을 비롯한 전기적 측정 및 분석을 수행했다.(그림 3). 그 결과 열로 인한 효과와 별도로, 저주파 잡음 수준이 산화알루미늄 보호막 증착을 통해 줄어드는 것을 확인하였다.(그림 4) ※ 저주파 잡음 분석 : 반도체 소자 내에서의 전하 이동 메커니즘 및 소자의 신뢰성을 평가할 수 있는 측정 및 분석 방법. 반도체 소자가 소형화 될수록 신호 대비 저주파 잡음 비율이 높아진다는 점으로 볼 때, 저주파 잡음 특성이 낮게 나타나면 소자가 성능이 좋아지고 소형화 및 집적화에 유리하다고 볼 수 있다. 또한 추가적으로 광학현미경 사진과 라만 분석을 통해 2개월 후에도 산화알루미늄막이 보호층으로 작동하여 흑린이 공기 중에도 안정적으로 존재할 수 있다는 것을 밝혔다.(그림 5) 이는 산화알루미늄 보호층을 적용한 흑린 트랜지스터 소자가 안정적이고 효과적으로 사용될 수 있음을 보여주는 것이다. ※ 라만 분석 : 물질 고유의 분자 진동수가 존재한다는 원리를 바탕으로 재료의 특성을 파악할 수 있는 분광법. 본 연구에서는 흑린의 존재 여부를 판단하는데 이용되었다. 이와 같이 개발된 흑린 트랜지스터는 향후 디스플레이용 박막 트랜지스터, CPU, 메모리 등의 반도체산업에 활용될 가능성이 있다. 박막 트랜지스터의 경우, 현재 상용화 단계인 저온폴리실리콘, 금속산화물 등의 재료에 비해 성능이 뛰어나며, 유연성과 투명성을 갖출 수 있다는 점에서 기대가 되는 물질이다. 하지만 대량생산을 위해서는 흑린 소재를 균일하고 대면적으로 합성할 수 있는 기술의 개발이 추후 보완되어야 한다. 본 연구에서는 위와 같은 응용분야에서 흑린이 트랜지스터로써 안정적으로 동작할 수 있다는 것을 밝히고, 기본적인 소자 특성을 평가하고 개선하였다는데 그 의의가 있다. 제 1저자인 나준홍 박사는 “이번 연구결과를 통해 그동안 논란이 되어왔던 흑린 소재의 트랜지스터가 안정적으로 구동된다는 것을 확인할 수 있었다”며, “나아가서 이번 연구는 흑린 내에서의 전하 이동 메커니즘을 이해하는데도 큰 도움이 될 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계면제어연구센터 최원국 박사, 송용원 박사 연구팀에서 진행된 연구로, 무기물 보호층을 적용하여 수 나노미터(nanometer) 두께의 흑린을 대기 중에서도 안정적으로 구동할 수 있는 트랜지스터로써 탈바꿈 시켰을 뿐만 아니라, 저주파 잡음 측정을 통하여 흑린 트랜지스터의 동작 원리를 분석하고 성능이 개선된 것을 확인하였다. 이번 연구 성과는 ACS Nano에 “Few-Layer Black Phosphorus Field-Effect Transistors with Reduced Current Fluctuation” (DOI: 10.1021/nn5052376)라는 제목으로 11월 4일(화)에 온라인 게재되었다. 이번 연구는 KIST의 기관고유연구사업 지원으로 수행되었다. ○ 연구진: ■ Dr. 송용원, 책임연구원, 계면제어연구센터, KIST ■ Dr. 최원국, 책임연구원, 계면제어연구센터, KIST ■ Dr. 나준홍, 박사후연구원, 계면제어연구센터, KIST ○ 관련자료 <그림 1> 세 개의 흑린 층을 표현한 모식도 <그림 2> 트랜지스터로 제작된 흑린의 광학 현미경 사진(왼쪽)과 3차원 현미경 사진(오른쪽) <그림 3> 열처리와 산화알루미늄 보호막 증착을 통한 트랜지스터 소자 변수 개선 확인 그래프 <그림 4> 산화알루미늄 보호층 효과로 인한 흑린 트랜지스터의 저주파 잡음 특성 개선 확인 그래프 <그림 5> 광학현미경 사진과 라만 분석을 통해 안정성 검사를 실시한 결과, 2개월 후에도 흑린이 공기 중에서 존재할 수 있다는 것을 보여주는 그래프

KIST, 흑린(黑燐) 소재기반 차세대 트랜지스터 개발 가능성 열어 - 차세대 반도체 물질인 흑린(black phosphorus)의 특성을 제어하여 고성능트랜지스터 개발 - 무기물 보호막을 적용해 안정적인 소자 특성 확보 다양한 전자 기계가 발달하면서 투명하면서도 휘어지는 성질을 가진 고성능의 반도체 개발에 대한 필요가 증가하고 있다. 그러나 현재 주로 사용되는 실리콘 소재의 반도체로는 이러한 반도체를 만들기 어려워 신소재에 대한 연구가 활발하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계면제어연구센터 최원국 박사, 송용원 박사 연구팀이 신소재인 흑린을 이용해 안정성과 성능이 높은 트랜지스터(transistor)를 개발했다. 흑린은 공기 중에서 반응속도가 너무 높아 불안정하다는 단점 때문에 트랜지스터로 만들기에 어려움이 많았다. 연구팀은 반응을 억제하기 위해 보호막을 씌워 안정성을 확보했다. 이렇게 개발된 트랜지스터는 안정적일 뿐 아니라 성능도 뛰어나 차세대 반도체 개발에 한층 가까워졌다는 평가이다. 그래핀은 2004년 발견된 이래, 실리콘을 대체할 차세대 반도체 재료로써 각광 받아왔지만 도체인 금속 성질이 더 우세하여 반도체에 적용하기에 어려운 점이 많았다. 이러한 단점을 보완하기 위해, 이황화몰리브덴 등의 재료가 트랜지스터로써 개발되었지만, 성능부분에서 한계가 있었다. 흑린(black phosphorus)은 인(phosphorus)과 원소는 같으나 모양과 성질이 다른 동소체로 그래핀과 마찬가지로 두께가 원자 수준으로 얇으며 원자가 층 구조인 물질이다. 이런 특성으로 인해 흑린은 기존 물질을 대체할 차세대 반도체 재료로 관심이 높다. 하지만 공기 중에서의 반응속도가 너무 높아 안정적이지 못해 반도체 소자를 제작하고 구동하는데 어려움이 많았다. 연구팀은 공기 중에서 흑린이 직접적으로 반응하는 것을 억제하기 위해, 흑린에 무기물인 얇은 산화알루미늄(Al2O3) 막을 보호층으로 감쌌다. 무기물 막은 만들어지는 과정에서 열이 발생하는데 정확한 분석을 위해 열로 인한 효과와 무기물 막으로 인한 효과를 분리하여 분석했다. 연구팀은 각각의 공정에서 저주파 잡음(low-frequency noise)을 비롯한 전기적 측정 및 분석을 수행했다.(그림 3). 그 결과 열로 인한 효과와 별도로, 저주파 잡음 수준이 산화알루미늄 보호막 증착을 통해 줄어드는 것을 확인하였다.(그림 4) ※ 저주파 잡음 분석 : 반도체 소자 내에서의 전하 이동 메커니즘 및 소자의 신뢰성을 평가할 수 있는 측정 및 분석 방법. 반도체 소자가 소형화 될수록 신호 대비 저주파 잡음 비율이 높아진다는 점으로 볼 때, 저주파 잡음 특성이 낮게 나타나면 소자가 성능이 좋아지고 소형화 및 집적화에 유리하다고 볼 수 있다. 또한 추가적으로 광학현미경 사진과 라만 분석을 통해 2개월 후에도 산화알루미늄막이 보호층으로 작동하여 흑린이 공기 중에도 안정적으로 존재할 수 있다는 것을 밝혔다.(그림 5) 이는 산화알루미늄 보호층을 적용한 흑린 트랜지스터 소자가 안정적이고 효과적으로 사용될 수 있음을 보여주는 것이다. ※ 라만 분석 : 물질 고유의 분자 진동수가 존재한다는 원리를 바탕으로 재료의 특성을 파악할 수 있는 분광법. 본 연구에서는 흑린의 존재 여부를 판단하는데 이용되었다. 이와 같이 개발된 흑린 트랜지스터는 향후 디스플레이용 박막 트랜지스터, CPU, 메모리 등의 반도체산업에 활용될 가능성이 있다. 박막 트랜지스터의 경우, 현재 상용화 단계인 저온폴리실리콘, 금속산화물 등의 재료에 비해 성능이 뛰어나며, 유연성과 투명성을 갖출 수 있다는 점에서 기대가 되는 물질이다. 하지만 대량생산을 위해서는 흑린 소재를 균일하고 대면적으로 합성할 수 있는 기술의 개발이 추후 보완되어야 한다. 본 연구에서는 위와 같은 응용분야에서 흑린이 트랜지스터로써 안정적으로 동작할 수 있다는 것을 밝히고, 기본적인 소자 특성을 평가하고 개선하였다는데 그 의의가 있다. 제 1저자인 나준홍 박사는 “이번 연구결과를 통해 그동안 논란이 되어왔던 흑린 소재의 트랜지스터가 안정적으로 구동된다는 것을 확인할 수 있었다”며, “나아가서 이번 연구는 흑린 내에서의 전하 이동 메커니즘을 이해하는데도 큰 도움이 될 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계면제어연구센터 최원국 박사, 송용원 박사 연구팀에서 진행된 연구로, 무기물 보호층을 적용하여 수 나노미터(nanometer) 두께의 흑린을 대기 중에서도 안정적으로 구동할 수 있는 트랜지스터로써 탈바꿈 시켰을 뿐만 아니라, 저주파 잡음 측정을 통하여 흑린 트랜지스터의 동작 원리를 분석하고 성능이 개선된 것을 확인하였다. 이번 연구 성과는 ACS Nano에 “Few-Layer Black Phosphorus Field-Effect Transistors with Reduced Current Fluctuation” (DOI: 10.1021/nn5052376)라는 제목으로 11월 4일(화)에 온라인 게재되었다. 이번 연구는 KIST의 기관고유연구사업 지원으로 수행되었다. ○ 연구진: ■ Dr. 송용원, 책임연구원, 계면제어연구센터, KIST ■ Dr. 최원국, 책임연구원, 계면제어연구센터, KIST ■ Dr. 나준홍, 박사후연구원, 계면제어연구센터, KIST ○ 관련자료 <그림 1> 세 개의 흑린 층을 표현한 모식도 <그림 2> 트랜지스터로 제작된 흑린의 광학 현미경 사진(왼쪽)과 3차원 현미경 사진(오른쪽) <그림 3> 열처리와 산화알루미늄 보호막 증착을 통한 트랜지스터 소자 변수 개선 확인 그래프 <그림 4> 산화알루미늄 보호층 효과로 인한 흑린 트랜지스터의 저주파 잡음 특성 개선 확인 그래프 <그림 5> 광학현미경 사진과 라만 분석을 통해 안정성 검사를 실시한 결과, 2개월 후에도 흑린이 공기 중에서 존재할 수 있다는 것을 보여주는 그래프

KIST, 흑린(黑燐) 소재기반 차세대 트랜지스터 개발 가능성 열어 - 차세대 반도체 물질인 흑린(black phosphorus)의 특성을 제어하여 고성능트랜지스터 개발 - 무기물 보호막을 적용해 안정적인 소자 특성 확보 다양한 전자 기계가 발달하면서 투명하면서도 휘어지는 성질을 가진 고성능의 반도체 개발에 대한 필요가 증가하고 있다. 그러나 현재 주로 사용되는 실리콘 소재의 반도체로는 이러한 반도체를 만들기 어려워 신소재에 대한 연구가 활발하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계면제어연구센터 최원국 박사, 송용원 박사 연구팀이 신소재인 흑린을 이용해 안정성과 성능이 높은 트랜지스터(transistor)를 개발했다. 흑린은 공기 중에서 반응속도가 너무 높아 불안정하다는 단점 때문에 트랜지스터로 만들기에 어려움이 많았다. 연구팀은 반응을 억제하기 위해 보호막을 씌워 안정성을 확보했다. 이렇게 개발된 트랜지스터는 안정적일 뿐 아니라 성능도 뛰어나 차세대 반도체 개발에 한층 가까워졌다는 평가이다. 그래핀은 2004년 발견된 이래, 실리콘을 대체할 차세대 반도체 재료로써 각광 받아왔지만 도체인 금속 성질이 더 우세하여 반도체에 적용하기에 어려운 점이 많았다. 이러한 단점을 보완하기 위해, 이황화몰리브덴 등의 재료가 트랜지스터로써 개발되었지만, 성능부분에서 한계가 있었다. 흑린(black phosphorus)은 인(phosphorus)과 원소는 같으나 모양과 성질이 다른 동소체로 그래핀과 마찬가지로 두께가 원자 수준으로 얇으며 원자가 층 구조인 물질이다. 이런 특성으로 인해 흑린은 기존 물질을 대체할 차세대 반도체 재료로 관심이 높다. 하지만 공기 중에서의 반응속도가 너무 높아 안정적이지 못해 반도체 소자를 제작하고 구동하는데 어려움이 많았다. 연구팀은 공기 중에서 흑린이 직접적으로 반응하는 것을 억제하기 위해, 흑린에 무기물인 얇은 산화알루미늄(Al2O3) 막을 보호층으로 감쌌다. 무기물 막은 만들어지는 과정에서 열이 발생하는데 정확한 분석을 위해 열로 인한 효과와 무기물 막으로 인한 효과를 분리하여 분석했다. 연구팀은 각각의 공정에서 저주파 잡음(low-frequency noise)을 비롯한 전기적 측정 및 분석을 수행했다.(그림 3). 그 결과 열로 인한 효과와 별도로, 저주파 잡음 수준이 산화알루미늄 보호막 증착을 통해 줄어드는 것을 확인하였다.(그림 4) ※ 저주파 잡음 분석 : 반도체 소자 내에서의 전하 이동 메커니즘 및 소자의 신뢰성을 평가할 수 있는 측정 및 분석 방법. 반도체 소자가 소형화 될수록 신호 대비 저주파 잡음 비율이 높아진다는 점으로 볼 때, 저주파 잡음 특성이 낮게 나타나면 소자가 성능이 좋아지고 소형화 및 집적화에 유리하다고 볼 수 있다. 또한 추가적으로 광학현미경 사진과 라만 분석을 통해 2개월 후에도 산화알루미늄막이 보호층으로 작동하여 흑린이 공기 중에도 안정적으로 존재할 수 있다는 것을 밝혔다.(그림 5) 이는 산화알루미늄 보호층을 적용한 흑린 트랜지스터 소자가 안정적이고 효과적으로 사용될 수 있음을 보여주는 것이다. ※ 라만 분석 : 물질 고유의 분자 진동수가 존재한다는 원리를 바탕으로 재료의 특성을 파악할 수 있는 분광법. 본 연구에서는 흑린의 존재 여부를 판단하는데 이용되었다. 이와 같이 개발된 흑린 트랜지스터는 향후 디스플레이용 박막 트랜지스터, CPU, 메모리 등의 반도체산업에 활용될 가능성이 있다. 박막 트랜지스터의 경우, 현재 상용화 단계인 저온폴리실리콘, 금속산화물 등의 재료에 비해 성능이 뛰어나며, 유연성과 투명성을 갖출 수 있다는 점에서 기대가 되는 물질이다. 하지만 대량생산을 위해서는 흑린 소재를 균일하고 대면적으로 합성할 수 있는 기술의 개발이 추후 보완되어야 한다. 본 연구에서는 위와 같은 응용분야에서 흑린이 트랜지스터로써 안정적으로 동작할 수 있다는 것을 밝히고, 기본적인 소자 특성을 평가하고 개선하였다는데 그 의의가 있다. 제 1저자인 나준홍 박사는 “이번 연구결과를 통해 그동안 논란이 되어왔던 흑린 소재의 트랜지스터가 안정적으로 구동된다는 것을 확인할 수 있었다”며, “나아가서 이번 연구는 흑린 내에서의 전하 이동 메커니즘을 이해하는데도 큰 도움이 될 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계면제어연구센터 최원국 박사, 송용원 박사 연구팀에서 진행된 연구로, 무기물 보호층을 적용하여 수 나노미터(nanometer) 두께의 흑린을 대기 중에서도 안정적으로 구동할 수 있는 트랜지스터로써 탈바꿈 시켰을 뿐만 아니라, 저주파 잡음 측정을 통하여 흑린 트랜지스터의 동작 원리를 분석하고 성능이 개선된 것을 확인하였다. 이번 연구 성과는 ACS Nano에 “Few-Layer Black Phosphorus Field-Effect Transistors with Reduced Current Fluctuation” (DOI: 10.1021/nn5052376)라는 제목으로 11월 4일(화)에 온라인 게재되었다. 이번 연구는 KIST의 기관고유연구사업 지원으로 수행되었다. ○ 연구진: ■ Dr. 송용원, 책임연구원, 계면제어연구센터, KIST ■ Dr. 최원국, 책임연구원, 계면제어연구센터, KIST ■ Dr. 나준홍, 박사후연구원, 계면제어연구센터, KIST ○ 관련자료 <그림 1> 세 개의 흑린 층을 표현한 모식도 <그림 2> 트랜지스터로 제작된 흑린의 광학 현미경 사진(왼쪽)과 3차원 현미경 사진(오른쪽) <그림 3> 열처리와 산화알루미늄 보호막 증착을 통한 트랜지스터 소자 변수 개선 확인 그래프 <그림 4> 산화알루미늄 보호층 효과로 인한 흑린 트랜지스터의 저주파 잡음 특성 개선 확인 그래프 <그림 5> 광학현미경 사진과 라만 분석을 통해 안정성 검사를 실시한 결과, 2개월 후에도 흑린이 공기 중에서 존재할 수 있다는 것을 보여주는 그래프

KIST, 흑린(黑燐) 소재기반 차세대 트랜지스터 개발 가능성 열어 - 차세대 반도체 물질인 흑린(black phosphorus)의 특성을 제어하여 고성능트랜지스터 개발 - 무기물 보호막을 적용해 안정적인 소자 특성 확보 다양한 전자 기계가 발달하면서 투명하면서도 휘어지는 성질을 가진 고성능의 반도체 개발에 대한 필요가 증가하고 있다. 그러나 현재 주로 사용되는 실리콘 소재의 반도체로는 이러한 반도체를 만들기 어려워 신소재에 대한 연구가 활발하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계면제어연구센터 최원국 박사, 송용원 박사 연구팀이 신소재인 흑린을 이용해 안정성과 성능이 높은 트랜지스터(transistor)를 개발했다. 흑린은 공기 중에서 반응속도가 너무 높아 불안정하다는 단점 때문에 트랜지스터로 만들기에 어려움이 많았다. 연구팀은 반응을 억제하기 위해 보호막을 씌워 안정성을 확보했다. 이렇게 개발된 트랜지스터는 안정적일 뿐 아니라 성능도 뛰어나 차세대 반도체 개발에 한층 가까워졌다는 평가이다. 그래핀은 2004년 발견된 이래, 실리콘을 대체할 차세대 반도체 재료로써 각광 받아왔지만 도체인 금속 성질이 더 우세하여 반도체에 적용하기에 어려운 점이 많았다. 이러한 단점을 보완하기 위해, 이황화몰리브덴 등의 재료가 트랜지스터로써 개발되었지만, 성능부분에서 한계가 있었다. 흑린(black phosphorus)은 인(phosphorus)과 원소는 같으나 모양과 성질이 다른 동소체로 그래핀과 마찬가지로 두께가 원자 수준으로 얇으며 원자가 층 구조인 물질이다. 이런 특성으로 인해 흑린은 기존 물질을 대체할 차세대 반도체 재료로 관심이 높다. 하지만 공기 중에서의 반응속도가 너무 높아 안정적이지 못해 반도체 소자를 제작하고 구동하는데 어려움이 많았다. 연구팀은 공기 중에서 흑린이 직접적으로 반응하는 것을 억제하기 위해, 흑린에 무기물인 얇은 산화알루미늄(Al2O3) 막을 보호층으로 감쌌다. 무기물 막은 만들어지는 과정에서 열이 발생하는데 정확한 분석을 위해 열로 인한 효과와 무기물 막으로 인한 효과를 분리하여 분석했다. 연구팀은 각각의 공정에서 저주파 잡음(low-frequency noise)을 비롯한 전기적 측정 및 분석을 수행했다.(그림 3). 그 결과 열로 인한 효과와 별도로, 저주파 잡음 수준이 산화알루미늄 보호막 증착을 통해 줄어드는 것을 확인하였다.(그림 4) ※ 저주파 잡음 분석 : 반도체 소자 내에서의 전하 이동 메커니즘 및 소자의 신뢰성을 평가할 수 있는 측정 및 분석 방법. 반도체 소자가 소형화 될수록 신호 대비 저주파 잡음 비율이 높아진다는 점으로 볼 때, 저주파 잡음 특성이 낮게 나타나면 소자가 성능이 좋아지고 소형화 및 집적화에 유리하다고 볼 수 있다. 또한 추가적으로 광학현미경 사진과 라만 분석을 통해 2개월 후에도 산화알루미늄막이 보호층으로 작동하여 흑린이 공기 중에도 안정적으로 존재할 수 있다는 것을 밝혔다.(그림 5) 이는 산화알루미늄 보호층을 적용한 흑린 트랜지스터 소자가 안정적이고 효과적으로 사용될 수 있음을 보여주는 것이다. ※ 라만 분석 : 물질 고유의 분자 진동수가 존재한다는 원리를 바탕으로 재료의 특성을 파악할 수 있는 분광법. 본 연구에서는 흑린의 존재 여부를 판단하는데 이용되었다. 이와 같이 개발된 흑린 트랜지스터는 향후 디스플레이용 박막 트랜지스터, CPU, 메모리 등의 반도체산업에 활용될 가능성이 있다. 박막 트랜지스터의 경우, 현재 상용화 단계인 저온폴리실리콘, 금속산화물 등의 재료에 비해 성능이 뛰어나며, 유연성과 투명성을 갖출 수 있다는 점에서 기대가 되는 물질이다. 하지만 대량생산을 위해서는 흑린 소재를 균일하고 대면적으로 합성할 수 있는 기술의 개발이 추후 보완되어야 한다. 본 연구에서는 위와 같은 응용분야에서 흑린이 트랜지스터로써 안정적으로 동작할 수 있다는 것을 밝히고, 기본적인 소자 특성을 평가하고 개선하였다는데 그 의의가 있다. 제 1저자인 나준홍 박사는 “이번 연구결과를 통해 그동안 논란이 되어왔던 흑린 소재의 트랜지스터가 안정적으로 구동된다는 것을 확인할 수 있었다”며, “나아가서 이번 연구는 흑린 내에서의 전하 이동 메커니즘을 이해하는데도 큰 도움이 될 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계면제어연구센터 최원국 박사, 송용원 박사 연구팀에서 진행된 연구로, 무기물 보호층을 적용하여 수 나노미터(nanometer) 두께의 흑린을 대기 중에서도 안정적으로 구동할 수 있는 트랜지스터로써 탈바꿈 시켰을 뿐만 아니라, 저주파 잡음 측정을 통하여 흑린 트랜지스터의 동작 원리를 분석하고 성능이 개선된 것을 확인하였다. 이번 연구 성과는 ACS Nano에 “Few-Layer Black Phosphorus Field-Effect Transistors with Reduced Current Fluctuation” (DOI: 10.1021/nn5052376)라는 제목으로 11월 4일(화)에 온라인 게재되었다. 이번 연구는 KIST의 기관고유연구사업 지원으로 수행되었다. ○ 연구진: ■ Dr. 송용원, 책임연구원, 계면제어연구센터, KIST ■ Dr. 최원국, 책임연구원, 계면제어연구센터, KIST ■ Dr. 나준홍, 박사후연구원, 계면제어연구센터, KIST ○ 관련자료 <그림 1> 세 개의 흑린 층을 표현한 모식도 <그림 2> 트랜지스터로 제작된 흑린의 광학 현미경 사진(왼쪽)과 3차원 현미경 사진(오른쪽) <그림 3> 열처리와 산화알루미늄 보호막 증착을 통한 트랜지스터 소자 변수 개선 확인 그래프 <그림 4> 산화알루미늄 보호층 효과로 인한 흑린 트랜지스터의 저주파 잡음 특성 개선 확인 그래프 <그림 5> 광학현미경 사진과 라만 분석을 통해 안정성 검사를 실시한 결과, 2개월 후에도 흑린이 공기 중에서 존재할 수 있다는 것을 보여주는 그래프

KIST, 흑린(黑燐) 소재기반 차세대 트랜지스터 개발 가능성 열어 - 차세대 반도체 물질인 흑린(black phosphorus)의 특성을 제어하여 고성능트랜지스터 개발 - 무기물 보호막을 적용해 안정적인 소자 특성 확보 다양한 전자 기계가 발달하면서 투명하면서도 휘어지는 성질을 가진 고성능의 반도체 개발에 대한 필요가 증가하고 있다. 그러나 현재 주로 사용되는 실리콘 소재의 반도체로는 이러한 반도체를 만들기 어려워 신소재에 대한 연구가 활발하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계면제어연구센터 최원국 박사, 송용원 박사 연구팀이 신소재인 흑린을 이용해 안정성과 성능이 높은 트랜지스터(transistor)를 개발했다. 흑린은 공기 중에서 반응속도가 너무 높아 불안정하다는 단점 때문에 트랜지스터로 만들기에 어려움이 많았다. 연구팀은 반응을 억제하기 위해 보호막을 씌워 안정성을 확보했다. 이렇게 개발된 트랜지스터는 안정적일 뿐 아니라 성능도 뛰어나 차세대 반도체 개발에 한층 가까워졌다는 평가이다. 그래핀은 2004년 발견된 이래, 실리콘을 대체할 차세대 반도체 재료로써 각광 받아왔지만 도체인 금속 성질이 더 우세하여 반도체에 적용하기에 어려운 점이 많았다. 이러한 단점을 보완하기 위해, 이황화몰리브덴 등의 재료가 트랜지스터로써 개발되었지만, 성능부분에서 한계가 있었다. 흑린(black phosphorus)은 인(phosphorus)과 원소는 같으나 모양과 성질이 다른 동소체로 그래핀과 마찬가지로 두께가 원자 수준으로 얇으며 원자가 층 구조인 물질이다. 이런 특성으로 인해 흑린은 기존 물질을 대체할 차세대 반도체 재료로 관심이 높다. 하지만 공기 중에서의 반응속도가 너무 높아 안정적이지 못해 반도체 소자를 제작하고 구동하는데 어려움이 많았다. 연구팀은 공기 중에서 흑린이 직접적으로 반응하는 것을 억제하기 위해, 흑린에 무기물인 얇은 산화알루미늄(Al2O3) 막을 보호층으로 감쌌다. 무기물 막은 만들어지는 과정에서 열이 발생하는데 정확한 분석을 위해 열로 인한 효과와 무기물 막으로 인한 효과를 분리하여 분석했다. 연구팀은 각각의 공정에서 저주파 잡음(low-frequency noise)을 비롯한 전기적 측정 및 분석을 수행했다.(그림 3). 그 결과 열로 인한 효과와 별도로, 저주파 잡음 수준이 산화알루미늄 보호막 증착을 통해 줄어드는 것을 확인하였다.(그림 4) ※ 저주파 잡음 분석 : 반도체 소자 내에서의 전하 이동 메커니즘 및 소자의 신뢰성을 평가할 수 있는 측정 및 분석 방법. 반도체 소자가 소형화 될수록 신호 대비 저주파 잡음 비율이 높아진다는 점으로 볼 때, 저주파 잡음 특성이 낮게 나타나면 소자가 성능이 좋아지고 소형화 및 집적화에 유리하다고 볼 수 있다. 또한 추가적으로 광학현미경 사진과 라만 분석을 통해 2개월 후에도 산화알루미늄막이 보호층으로 작동하여 흑린이 공기 중에도 안정적으로 존재할 수 있다는 것을 밝혔다.(그림 5) 이는 산화알루미늄 보호층을 적용한 흑린 트랜지스터 소자가 안정적이고 효과적으로 사용될 수 있음을 보여주는 것이다. ※ 라만 분석 : 물질 고유의 분자 진동수가 존재한다는 원리를 바탕으로 재료의 특성을 파악할 수 있는 분광법. 본 연구에서는 흑린의 존재 여부를 판단하는데 이용되었다. 이와 같이 개발된 흑린 트랜지스터는 향후 디스플레이용 박막 트랜지스터, CPU, 메모리 등의 반도체산업에 활용될 가능성이 있다. 박막 트랜지스터의 경우, 현재 상용화 단계인 저온폴리실리콘, 금속산화물 등의 재료에 비해 성능이 뛰어나며, 유연성과 투명성을 갖출 수 있다는 점에서 기대가 되는 물질이다. 하지만 대량생산을 위해서는 흑린 소재를 균일하고 대면적으로 합성할 수 있는 기술의 개발이 추후 보완되어야 한다. 본 연구에서는 위와 같은 응용분야에서 흑린이 트랜지스터로써 안정적으로 동작할 수 있다는 것을 밝히고, 기본적인 소자 특성을 평가하고 개선하였다는데 그 의의가 있다. 제 1저자인 나준홍 박사는 “이번 연구결과를 통해 그동안 논란이 되어왔던 흑린 소재의 트랜지스터가 안정적으로 구동된다는 것을 확인할 수 있었다”며, “나아가서 이번 연구는 흑린 내에서의 전하 이동 메커니즘을 이해하는데도 큰 도움이 될 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계면제어연구센터 최원국 박사, 송용원 박사 연구팀에서 진행된 연구로, 무기물 보호층을 적용하여 수 나노미터(nanometer) 두께의 흑린을 대기 중에서도 안정적으로 구동할 수 있는 트랜지스터로써 탈바꿈 시켰을 뿐만 아니라, 저주파 잡음 측정을 통하여 흑린 트랜지스터의 동작 원리를 분석하고 성능이 개선된 것을 확인하였다. 이번 연구 성과는 ACS Nano에 “Few-Layer Black Phosphorus Field-Effect Transistors with Reduced Current Fluctuation” (DOI: 10.1021/nn5052376)라는 제목으로 11월 4일(화)에 온라인 게재되었다. 이번 연구는 KIST의 기관고유연구사업 지원으로 수행되었다. ○ 연구진: ■ Dr. 송용원, 책임연구원, 계면제어연구센터, KIST ■ Dr. 최원국, 책임연구원, 계면제어연구센터, KIST ■ Dr. 나준홍, 박사후연구원, 계면제어연구센터, KIST ○ 관련자료 <그림 1> 세 개의 흑린 층을 표현한 모식도 <그림 2> 트랜지스터로 제작된 흑린의 광학 현미경 사진(왼쪽)과 3차원 현미경 사진(오른쪽) <그림 3> 열처리와 산화알루미늄 보호막 증착을 통한 트랜지스터 소자 변수 개선 확인 그래프 <그림 4> 산화알루미늄 보호층 효과로 인한 흑린 트랜지스터의 저주파 잡음 특성 개선 확인 그래프 <그림 5> 광학현미경 사진과 라만 분석을 통해 안정성 검사를 실시한 결과, 2개월 후에도 흑린이 공기 중에서 존재할 수 있다는 것을 보여주는 그래프