2차원 반도체 결정 ‘시작점’ 제어 성공…400개 패턴 99% 단일핵 성장

과학기술정보통신부가 10월 8일 공개한 연구 성과의 핵심은 2차원 반도체 결정의 성장 영역 안에서 핵생성 위치까지 설계했다는 점입니다. 연구팀은 이황화몰리브덴(MoS₂) 결정이 특정 영역 중앙에서 하나의 핵으로 시작해 자라도록 유도했습니다.

기존에도 반도체 소재가 자랄 영역을 정하는 기술은 있었지만, 같은 영역 안에서 여러 핵이 동시에 생기면 결정 경계가 늘어나 품질을 일정하게 만들기 어렵습니다. 시작점을 하나로 통제하면 결정 경계를 줄이고 원하는 위치에 균일한 단결정을 배치하는 데 유리합니다.

연구팀은 성장 영역 주변 산화물에서 방출되는 화학 성분을 활용했습니다. 이 성분이 에칭 플럭스로 작용해 가장자리에서 불필요한 핵이 만들어지는 것을 억제하고, 상대적으로 중앙에 남은 하나의 핵이 성장하도록 한 것입니다.

중요한 점은 외부에서 복잡한 패턴마다 별도의 씨앗을 심는 방식이 아니라 성장 환경 자체를 설계해 핵생성 위치를 유도했다는 데 있습니다. 소재 성장 단계에서 위치 정밀도를 높일 수 있으면 이후 소자 배치와 적층 공정의 설계 자유도도 커질 수 있습니다.

과기정통부 자료에 따르면 연구팀은 400개 실험 패턴 가운데 99% 이상에서 단일 중심 단결정을 생성하는 데 성공했습니다. 단순히 한두 개 샘플에서 관찰된 현상이 아니라 여러 패턴에서 같은 성장 방식이 반복됐다는 점이 연구의 강점입니다.

2차원 반도체는 원자층 수준으로 얇아 여러 층을 쌓는 차세대 소자 구조에 활용 가능성이 논의돼 왔습니다. 결정 품질과 위치를 동시에 제어할 수 있다면 고집적·저전력 소자를 만들기 위한 소재 공정 연구에서 유용한 도구가 될 수 있습니다.

이번 결과가 곧바로 대량생산 가능한 AI 반도체가 나왔다는 뜻은 아닙니다. 실험실 수준의 결정 성장 성과를 실제 반도체 제조에 적용하려면 더 큰 면적에서의 균일성, 공정 속도와 수율, 기존 제조공정과의 호환성, 소자 특성 검증 등이 이어져야 합니다.

따라서 이번 연구는 ‘AI 반도체가 완성됐다’보다 ‘원자층 반도체의 성장 시작점을 결정론적으로 설계할 수 있는 방법을 제시했다’고 이해하는 편이 정확합니다. 후속 연구에서 대면적 확장과 소자 성능 검증이 어떻게 이어지는지가 상용화 가능성을 판단할 핵심입니다.