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한국광기술원, 세계 최초 저온합성공정 배선 기술 개발
그래핀 적용 반도체 및 디스플레이 산업화 앞당겨
‘NPJ 2D Materials and Applications’ 논문 게재
안상민 기자    작성 : 2021년 06월 04일(금) 10:14    게시 : 2021년 06월 04일(금) 10:14
손명우 한국광기술원 박사팀이 저온상압화학기상증착법으로 제작한 그래핀-구리 배선의 디지털 사진과 모식도 및 미세구조 이미지
[전기신문 안상민 기자] 한국광기술원(원장 신용진)이 저온합성공정 기술을 이용해 반도체 전극의 물리적 손상을 방지할 수 있는 고성능 그래핀‧구리 적층 배선 제작 기술을 세계 최초로 개발했다고 3일 밝혔다.

손명우 한국광기술원 AI에너지연구센터 박사팀이 보유한 그래핀 저온 대면적 합성 기술을 기반으로 개발한 이 기술은 반도체 및 디스플레이 분야에 폭넓게 적용이 가능하다.

지금까지 그래핀‧구리 배선은 800℃ 이상의 고온에서 저압화학기상증착법을 활용해 구리 호일 위에 그래핀을 합성하고 구리 배선에 전사해 제작했지만, 고온으로 인해 배선 기판이나 반도체에 물리적 손상이 발생하는 문제를 안고 있었다.

최근에는 저온의 화학기상증착법에 플라즈마를 적용해 그래핀을 구리 배선에 직접 합성하는 방식을 사용하기도하지만 플라즈마의 높은 에너지로 인한 그래핀의 물리적인 손상은 여전히 해결되지 않아 배선 성능의 저하를 초래해 왔다.

손 박사팀은 이런 문제를 해결하기 위해 벤젠이나 피리딘 등의 액상 탄소소스를 그래핀 공정에 사용해 약 400℃ 이하의 저온상압화학기상증착법으로 기판 또는 반도체의 물리적 손상없이 그래핀‧구리 배선 제작에 성공했다.

또 아르곤 가스를 주입하는 정화공정을 새롭게 개발해 저온합성공정 시스템 내부의 오염 요소를 제거함으로써 저온합성 그래핀의 저품질 문제까지도 해결했다.

개발된 그래핀‧구리 적층 배선의 그래핀에 대한 라만 스펙트럼을 분석한 결과, 기존 대비 결정성이 우수한 고품질의 다층 그래핀 합성임을 확인했으며 전류밀도나 평균수명도 우수한 성능을 보였다.

비저항은 구리 배선 대비 약 3.5% 감소했으며 전류밀도는 약 24.1% 개선됐고 평균수명(MTTF)은 10배 이상 늘었다.

이에 그래핀 기반 배선이 적용된 반도체 소자의 상용화에 가장 큰 걸림돌이던 고온합성공정을 저온합성공정으로 대체함과 동시에 반도체 표면에 직접 그래핀‧구리 적층 배선을 적용한 배선 일체형 반도체 제품화가 가능할 것으로 기대된다.

세계반도체무역통계기구에 따르면 본 기술을 활용한 그래핀 기반 배선 일체형 반도체 사업화로 세계 반도체 시장의 약 10%를 차지하는 전력반도체 및 마이크로집적회로 분야에서 100억달러(약 10조원) 규모 이상의 경제적 파급효과가 있을 것으로 예상된다.

손명우 박사는 “저온합성공정의 그래핀‧구리 적층 배선 제작 기술로 반도체 성능과 신뢰성 향상이 가능함에 따라, 그래핀 기반 미래형 반도체 및 전자 소자의 상용화에 기여할 것으로 기대된다”며 “특히 고효율 배터리 음극제 소재 개발 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 하게 될 것”이라고 말했다.

한편 한국광기술원 AI에너지연구센터 손명우 박사(제1저자, 교신저자)와 광주과학기술원 장재원 박사(공동 제1저자)가 주도하고, 지상수 한국세라믹기술원 박사(공동 교신저자)가 참여한 이번 연구결과는 ‘엔피제이 2D 머티리얼스 앤 어플리게이션스(NPJ 2D Materials and Applications)’에 최근 게재됐다.


안상민 기자 tkdals0914@electimes.com        안상민 기자의 다른 기사 보기

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