by박진환 기자
2017.08.20 12:00:00
웨어러블디바이스 등 차세대 유연 전자소자…특허전쟁中
관련 특허출원 87.4%가 한국…미국·대만·일본 등 맹추격
삼성전자·SK하이닉스가 18.2% 점유…반도체 강국 입증
[대전=이데일리 박진환 기자] 전이금속 칼코겐 화합물이 차세대 유연 전자소자로 주목받고 있는 가운데 삼성전자와 SK하이닉스 등 우리 기업들이 관련 특허출원을 주도하고 있는 것으로 나타났다.
전이금속 칼코겐 화합물은 그래핀과 같은 우수한 광학적 투명성과 기계적 유연성을 가지고 있어 웨어러블 디바이스 및 유연 디스플레이, 인공 전자 피부와 같은 차세대 유연 전자소자로서 크게 주목받고 있다.
특히 그래핀에는 없는 1~2eV대의 밴드갭을 지니고 있어 국내에서 연구개발이 활발하게 진행 중이며, 최근에는 그래핀 등 이종 간의 접합을 통해 새로운 반도체 소자를 개발하려는 분야도 크게 증가하고 있다.
전이금속 칼코겐 화합물(Transition Metal Dichalcogenide)은 그래핀과 유사한 2차원 층상구조 물질로 밴드갭이 존재해 반도체 소자로 적합하다.
밴드갭(band gap)은 전자가 존재할 수 없는 영역으로 물질마다 다르며, 밴드갭이 없으면 도체, 작으면 반도체, 크면 부도체의 특성을 보인다.
20일 특허청에 따르면 2012년부터 지난해까지 최근 5년간 전이금속 칼코겐 화합물 관련 출원 건수는 모두 214건으로 그 이전 5년간인 2007~2011년(특허출원 55건)과 비교해 4배 가까이 급증했다.
그간의 관련 연구동향을 보면 그래핀에 밴드갭을 형성하기 위한 나노리본 형성과 도핑에 관한 연구개발이 활발히 진행돼 왔지만 밴드갭 형성이 제한적이고 밴드갭이 형성된다고 하더라도 전하 이동도가 급격히 감소하는 문제점이 있었다.
그러나 금속 칼코겐 화합물은 그래핀과 유사한 구조를 가진 나노재료이면서 유연하고 투명한 특성과 함께 전기적으로는 1~2eV대 밴드갭이 존재, 논리회로 제작이 어려운 그래핀의 단점을 완벽하게 보완해준다.
국적별 특허출원 현황을 보면 2012년부터 지난해까지 우리나라가 특허 출원을 주도하고 있는 것으로 조사됐다.
이 기간 중 내국인은 모두 187건(87.4%)의 특허를 출원했으며, 외국인은 27건(12.6%)으로 미국(10), 유럽(9), 대만(5), 일본(3) 등의 순이다.
이는 반도체 강국인 우리나라가 그래핀에 이어 금속 칼코겐 화합물을 이용한 포토센서, 쏠라셀 등 광소자 분야 연구개발에도 적극 나서고 있기 때문인 것으로 분석된다.
출원인별로는 삼성전자(23건, 10.7%)가 1위를, 경희대(21건, 9.8%), 연세대(18건, 8.4%), SK하이닉스(16건, 7.5%), 성균관대(11건, 5.1%) 등이 뒤를 이었다.
제조기술별 출원동향을 살펴보면 그래핀과 구조가 같기 때문에 그래핀을 합성하는 방법이 그대로 사용되고 있다.
고품질·대면적 합성을 위해 화학기상 증착법(39.7%)을 주로 사용한다. 이는 기계적 박리법에 비해 비용이 저렴하고 제어가 가능해 대량 생산이 용이하기 때문이다.
최근에는 그래핀이 가지는 우수한 성질을 금속 칼코겐 화합물에 결합하는 기술 등 상호 장점을 융합해 새로운 미래 소자를 개발하려는 시도가 크게 증가하고 있다.
반용병 특허청 정밀화학심사과장은 “원자층 단위의 두께를 지닌 반도체 소재인 전이금속 칼코겐 화합물은 기존 전자소자뿐만 아니라 우수한 투명성, 기계적 유연성을 지니고 있어 웨어러블 디바이스, 유연 디스플레이, 인공 전자 피부와 같은 차세대 전자소자로서의 활용성이 높다”면서 “4차 산업에 대비한 미래 신소재로서 지속적인 투자와 연구개발이 필요하다”고 조언했다.