국내 연구진, 새로운 이차원 물질 원자층 두께 대면적 성장 기술 개발

[아시아경제 권용민 기자] 미래창조과학부는 국내 연구진이 이셀렌화몰리브덴을 원자층 두께로 대면적 성장시키는 기술을 세계 최초로 개발했다고 27일 밝혔다. 초집적·유연·투명한 전자소자 시대인 차세대 포스트-실리콘 시대를 이끌 것으로 전망된다.

이셀렌화몰리브덴은 몰리브덴과 셀레늄이 삼각 프리즘 형태로 결합해 층상 구조를 이룬 물질이다. 각 층이 아주 약하게 결합돼 있어 쉽게 한 층을 분리할 수 있고 얇고 유연할 뿐만 아니라 그래핀과 달리 반도체 특성을 가지고 있다.

2004년 그래핀이 발견된 이후, 유연하고 투명하면서도 우수한 기계적 특성을 가진 그래핀과 같은 이차원 물질(평면으로는 강한 결합을 가지나 수직방향으로는 아주 약한 결합을 가진 물질)에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.

특히 전도체 특성을 띠는 그래핀과 달리 반도체 특성을 띠는 이셀렌화몰리브덴과 같은 물질은 반도체에서 볼 수 있는 특성을 원자 수준에서 구현할 수 있음이 최근에 밝혀짐에 따라, 이를 이용한 초소형, 고효율 태양전지 등의 연구가 활발히 진행 중이다.

연구진은 세계 최초로 화학기상증착법을 이용해 높은 재현성과 우수한 막질을 가지는 단일층의 이셀렌화몰리브덴을 대면적으로 합성하는 데 성공했다. 또 그래핀 기판 위에 이셀렌화몰리브덴을 에피텍시얼 성장(단결정 기판 위에 새로운 단결정층을 형성하는 방법)을 통해 그래핀·이셀렌화몰리브덴의 헤테로구조(수직한 방향으로 서로 다른(이종) 물질이 쌓여있는 상태)를 대면적으로 합성하는 데도 성공했다.

더 나아가 라만·광발광 분광법 분석을 통해 합성된 헤테로구조에서 빛에 의해 발생된 전하의 이동 메커니즘도 제시했다. 이러한 연구는 이차원 물질들을 활용한 신개념의 태양전지, 헤테로소자, 극초박막소자 등의 연구에서 성능과 효율을 개선시키는데 있어 중추적인 역할을 할 것으로 기대된다.

연구진은 "그래핀은 전기적, 광학적, 기계적 특성이 매우 우수하지만 전도성 물질이기 때문에 반도체 특성을 가진 소재에 대한 연구가 전세계에서 경쟁적으로 진행되고 있다"면서 "이번 연구는 MoSe2라는 반도체성 물질의 대면적 성장기술과 그래핀-MoSe2 헤테로구조의 물성을 세계 최초로 밝힘으로써 차세대 반도체 및 광소자로 응용하기 위한 실질적인 가능성을 보여 준 연구"라고 전했다.

이번 연구는 최성율 카이스트 교수의 주도로, 조병진 카이스트 교수, 카이스트 부설 나노종합기술원의 안치원 박사 등이 공동으로 수행했다. 미래창조과학부가 지원하는 글로벌프론티어사업의 나노기반소프트일렉트로닉스연구단 및 나노소재원천기술개발사업 지원으로 수행됐다. 연구결과는 나노분야 국제학술지 ACS 나노지 7월 2일자 온라인판에 게재됐다.

권용민 기자 festym@asiae.co.kr