단결정 실리콘은 높은 전기적인 성능을 보유하고 있으며 생산 공정이 용이해 현재 반도체 생산의 주재료로 사용되고 있으며 대체 불가능한 반도체 소재로 활용되고 있다. 연구팀은 이러한 단결정 실리콘 박막을 활용하여 유연한 태양전지 그리고 트랜지스터 어레이를 제작하여 다양한 유연 전자 디바이스로 활용 가능하다는 것을 보여줬다.
재사용이 가능한 단결정 실리콘 박막 제작 기법은 새로운 유연한 무기물 기반 전자소자 연구 분야로의 확정성을 보여주며, 초저비용 반도체 기반의 플렉서블 디바이스 개발로 이어질 것으로 예측된다.
단일 원소로 이루어진 반도체 물질인 단결정 실리콘의 경우 높은 전기적, 기계적 그리고 광학적 성능을 보유하고 있으면서도 저렴한 제조 공정 과정을 가져 여전히 반도체 전자소자 제작에 있어 대체 불가능한 물질로 활용되고 있다. 더불어 실리콘의 두께를 매우 얇은 박막 형태로 제작하게 됨으로써 굽힘 강도를 급격히 감소시킴으로 유연 전자소자로의 적용으로 이어졌다.
이러한 실리콘의 뛰어난 특성들을 활용하기 위하여 유연한 기판에 단결정 실리콘 박막을 전사하는 방법들이 개발됐다. 기존의 방법으로는 실리콘-산화물-실리콘 형태로 이루어진 SOI (Silicon-on-Insulator) 웨이퍼에서 박막으로 이루어진 위쪽 실리콘에 구멍 형태의 배열로 실리콘 박막을 에칭하여 가운데 산화막 층을 제거하여 실리콘 박막만을 유연한 기판 위에 전사하는 방법이 사용되었다. 하지만 이러한 SOI 웨이퍼의 경우 일반적인 단결정 실리콘 웨이퍼에 비하여 가격이 매우 높다는 단점을 가지고 있으며 한번 실리콘 박막을 전사한 이후에 다시 재사용이 불가능하여 저비용 유연 소자 제작 적용하기에 어렵다는 단점을 가지고 있으며, 또한 리본 형태의 단결정 실리콘의 경우 서로 분리된 구조 형태를 가지기 때문에 고밀도 형태의 전자소자 개발에 활용되는 것에 적합하지 않으며 다양한 전자소자에 적용하는데 어려움이 있다는 단점을 가지게 된다.
본 연구에서는 이러한 단점들을 극복하며 높은 전기적, 기계적 그리고 광학적 성능을 보유하고 있는 단결정 실리콘 박막을 단결정 실리콘 웨이퍼를 재사용하여 전사하는 방법을 개발했다. 실리콘 마이크로바 셀들을 서로 연결하는 디자인을 통하여 하나의 밀집된 형태의 서로 연결된 대형 박막을 형성하였다. SOI 웨이퍼의 경우 웨이퍼 제작 공정에서 결정된 실리콘 박막의 두께를 조절하는 것이 어렵다는 단점을 가지고 있지만 개발된 공정 방법의 경우 실리콘의 에칭 두께에 따라서 박막의 두께를 수백 나노에서 십 마이크로 이상의 두께로도 박막을 제작할 수 있다는 장점을 보여준다. 이러한 실리콘 박막의 경우 최대 90%의 고밀도를 가지도록 제작이 가능하며 실리콘 박막 전사 이후에도 화학적인 웨이퍼 평탄화 과정을 통해 재사용이 가능하다는 점에서 단결정 실리콘의 뛰어난 물질적 특성을 활용할 뿐만 아니라 비용적으로도 저렴한 형태로 전자소자를 제작할 수 있는 특징을 보여준다. 개발된 실리콘 박막 전사 공정은 실리콘에 추가적인 도핑 과정을 통하여 태양전지 그리고 트랜지스터 어레이로 제작되어 개발된 기술의 유연 전자소자로의 적용 가능성을 입증하였다. 해당 기술은 앞서 제작된 소자뿐만 아니라 다양한 유연 전자소자로 활용 가능하다는 점에서 이후 저비용 전자소자 분야에 학술 가치가 매우 높으며 바이오 분야, 소재 분야, 센서 분야 등의 다양한 연구 및 산업 발전에 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다.
유기준 교수는 "기존의 경우 고밀도를 가지는 실리콘 박막을 유연 전자소자에 적용하기 위해선 가격이 매우 비싼 Silicon on Insulator (SOI) 웨이퍼를 활용했다. 하지만 본 연구를 통해 저비용으로 높은 물질적 특성을 보유하고 있는 단결정 실리콘 박막을 활용할 수 있어 저비용으로 유연 전자소자를 개발할 수 있고 반도체칩 생산 절감 등의 산업적으로 큰 영향을 미칠 것으로 기대된다"라고 연구의 의의를 전했다.
이번 연구는 연세대 이주영 연구원, 신종운 연구원, 김규빈 연구원, 주정은 연구원이 제 1 주저자로, 유기준 교수, John A. Rogers 교수가 교신저자로 참여한 국제공동 연구다. 5월 28일 응용 물리 분야 최상위 논문지인 '스몰 (Small, IF 15.153)'에 게재됐으며, 한국 연구재단 중견연구, 기초연구사업, 나노소재원천사업 그리고 삼성전자의 삼성미래기술육성 의 지원을 받아 수행됐다.
정래연기자 fodus0202@dt.co.kr
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