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국내 연구진 ‘원자 두께’ 2차원 물질 생산 새 길 열었다

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2018년 10월 15일 15:02 프린트하기

미국 MIT 연구팀이 2차원 물질을 빠르교 효율적으로 생산할 수 있는 기술을 개발했다. -사진 제공 Peng Li/MIT
미국 MIT 연구팀이 2차원 물질을 빠르교 효율적으로 생산할 수 있는 기술을 개발했다. -사진 제공 Peng Li/MIT

한국 과학자들이 주도하는 국제 공동 연구진이 미래 반도체와 휘는 디스플레이 등에 널리 활용될 것으로 기대를 모으고 있는 매우 얇은 전자 소재인 ‘2차원 물질’을 상용화가 가능할 정도로 크고 효율적으로 만드는 기술을 개발했다. 

 

미국 매사추세츠공대(MIT) 기계공학과 심재우·배상훈 박사후연구원과 이도윤 방문연구원, 김지환 교수팀은 두꺼운 덩어리 형태로 만든 물질을 물질의 최소 단위인 원자 한 층 단위로 얇게 분리해, 어른 안경알 크기와 비슷한 지름 약 5㎝의 둥근 기판(웨이퍼)으로 만드는 데 처음 성공해 국제학술지 ‘사이언스’ 11일자에 발표했다. 

 

2차원 물질은 세상에 존재할 수 있는 가장 얇고 넓적한 물질이다. 두께가 A4 용지(약 0.1㎜)의 약 10만 분의 1 수준인 1㎚(나노미터. 1㎚는 10억 분의 1m)다. 투명하고 탄력이 좋으며 독특한 전기적 성질을 지니고 있어 차세대 전자 소자로 주목 받고 있다. 대표적인 예로 탄소를 원자 1겹으로 얇게 가공한 ‘그래핀’이 있다. 최근에는 육방정계 질화붕소(h-BN), 이황화텅스텐(WS2), 이황화몰리브덴(MoS2), 이셀레늄화텅스텐(WSe2), 이셀레늄화몰리브덴(MoSe2) 등 다양한 소재들이 2차원 물질로 연구되고 있다.

 

연구팀은 금속이 갖는 ‘접착력’을 활용해 나노미터 두께의 2차원 물질을 만들었다. 물티슈를 생각해 보자. 껍질을 벗겨 차곡차곡 쌓인 물티슈만 꺼낸 뒤 들어올리면 ‘한 덩어리’로 들어올려진다. 물 때문에 서로 엉겨 붙어 있기 때문이다. 하지만 양손으로 물티슈 위아래를 잘 잡고 잡아당기면 둘로 분리할 수 있다. 이 과정을 반복하면 마지막에 물티슈를 한 장만 분리할 수 있다. 

 

지난 2004년 그래핀이 이와 비슷한 방법으로 탄생했다. 양 손 대신 끈적한 셀로판 테이프를 썼다는 점이 다를 뿐이다. 이 방법은 지금도 여러 2차원 물질을 얻을 때 널리 사용되지만, 속도가 너무 느려 대량 생산에는 적용할 수 없다는 단점이 있었다.

 

연구팀은 2차원 물질의 층 분리 속도를 높일 수 있는 새로운 제조법을 찾았다. 이들은 금속인 니켈이 갖는 접착력에 주목했다. 물티슈를 분리하던 손 대신 니켈을 이용하는 셈이다. 우선 기판인 사파이어 판 표면에 이황화텅스텐 등 2차원 물질의 ‘원료’를 단번에 쌓아 올렸다. 이 상태에서 원료는 2차원 막이 여러 층 쌓인, 마치 껍질을 막 벗긴 물티슈 덩어리 같이 ‘층’ 구조를 이루고 있다.

 

연구팀의 2차원 물질 제작 과정. - 사진 제공 사이언스
연구팀의 2차원 물질 제작 과정. - 사진 제공 사이언스

연구팀은 그 위에 두께가 600㎚인 니켈 판을 덮었다. 2차원 물질 재료와 니켈 판 사이의 접착력이 사파이어 기판과 2차원 물질의 접착력보다 크기 대문에, 니켈 판을 들어올리면 아래에 2차원 물질 덩어리가 기판으로부터 통째로 분리된다(물티슈를 그대로 들어올린 상태). 이어서 들어올린 덩어리 아래에도 니켈 판을 마주 붙인 뒤 떼면(양손으로 물티슈 위아래를 잡는 것과 비슷하다), 2차원 물질을 얇게 분리할 수 있다. 이 과정을 반복하면 여러 장의 원자 1겹 2차원 물질을 빠르게 얻을 수 있다. 연구팀은 “지름 5㎝정도로 상용화가 가능한 수준의 2차원 물질을 2~3분 안에 얻을 수 있다”며 “한 시간이면 이들을 쌓아서 전자기기를 만들 수 있다”고 밝혔다.

 

연구팀은 이 방법이 2차원 물질 종류에 상관없이 두루 사용될 수 있다는 사실을 확인했다. 실제로 이 방식으로 다양한 2차원 물질을 만들기도 했다. 마지막으로 이렇게 만든 2차원 물질을 A4 용지를 쌓듯 차곡차곡 쌓아서 다양한 새로운 전자소자로 활용할 수 있다는 사실도 증명했다. 절연체인 질화붕소 반도체인 이황화텅스텐을 쌓아 웨이퍼 내 모든 표면에서 고르게 빛을 내는 품질 좋은 발광소자를 만들고, 성능이 우수한 전계효과트랜지스터도 개발했다.

 

연구 총책임자인 김지환 교수는 “기존에 불가능했던 고품질 대면적의 2차원 물질을 효율적으로 만들 수 있게 됐다”며 “웨어러블 전자기기, 초저전력 소자, 차세대 배터리,스마트 유리 등에 응용할 수 있을 것”이라고 말했다.

 

(아래는 실제 연구자와의 e메일 인터뷰 내용)

 

 

공동 제1저자 배상훈 MIT 기계공학과 연구원. -사진제공 김지환 교수 홈페이지
공동 제1저자 배상훈 MIT 기계공학과 연구원. -사진제공 김지환 교수 홈페이지

*e메일 인터뷰(공동 제1저자 배상훈 MIT 기계공학과 박사후 연구원)

Q. 그래핀 이후 셀로판 테이프를 이용해 2차원 물질을 만드는 기술이 크게 유행했던 것으로 알고 있습니다. 그래핀의 경우에는 증착 등 다양한 방법을 이용한여러 대면적 제작법이 연구되고 있는 것으로 압니다. 논문에서는 여전히 테이프 이용하는 게 주된 법이라고 나와 있는데, 그래핀 외의 2차원 물질에서는 아직 널리 사용되고 있는지요. 또 그 경우 얻을 수 있는 크기는 얼마 정도인지요?
A> 그래핀을 제외한 다른 2D 재료의 경우 운동역학적인 조절이 아주 어렵습니다. 때문에 단일층으로 얻는게 굉장히 어렵구요. 예를 들어 반도체 특성을 가지는 단일 층의 2차원 재료인 TMDC(Transition metal dichalcogenide)를 합성할 수 있는 연구 그룹은 전 세계적으로 세 그룹만 존재하고 있습니다. 관련해서 논문이 3편 나왔지요. 2015년과 2017년에 네이처에, 그리고 2018년에 사이언스 어드밴시스에 발표됐습니다. 조절이 어려워 단일층보다는 다층의 TMDC를 얻는 식으로 얻고 있습니다. TMDC의 경우는 단일층과 다층의 특성이 다릅니다. 단일층의 경우 직접 밴드갭(Direct bandgap), 다층의 경우 간접 밴드갭(Indirect bandgap)을 지닙니다. 대부분의 광전자 소자가 직접 밴드갭이 더 효율적이기 때문에 단일층을 만드는게 더 의미가 있습니다. 때문에 단일층을 통해 특성분석을 해야 하거나 소자를 만들어야 하는 경우, 여전히 셀로판 테이프 방법이 대세로 사용되고 있습니다. 이 경우, 크기는 잘 해야 수백 마이크로미터(100만 분의 1m) 수준(으로 작은 편)입니다. 

 

Q. 2차원 물질의 장점으로 언급되는 광학적 성질은 투명성이 대표적인 것으로 알고 있습니다. 이 연구에서는 이종구조소자를 만들어 발광 소자로 활용할 가능성도 제안하고 있습니다. 투명한 디스플레이 등에 활용이 가능해 보입니다. 전기적 성질이 우수하다는 언급도 보이는데요. 대표적인 특성이 무엇이 있을까요.
A>투명하면서 광전자 특성을 유지하고 있다는 장점을 가지고 있습니다. 장기적으로 투명디스플레이로의 활용이 당연히 가능하지요. 전기적인 특성의 경우 저희가 제작한 TMDC 기반의  트랜지스터를 보면 스위칭 역할이 가능할 정도의 충분한 온/오프비(on/off ratio)를 보여주고 있습니다. 현재 디스플레이에 사용되는 스위칭 소자 정도는 커버할 수 있는 수준입니다.

 

Q. 기술적인 질문입니다. 박사님께서 반데르발스 헤테로스트럭처(반데르발스 이종구조소자)를 제작하는 쪽을 맡으신 것으로 압니다. 논문에서는 습식, 준건식 두 가지 방법이 자주 언급되고 있던데요. 각각 어떤 장단점이 있는지요.
A>네, 각각 장단점이 있습니다. 예를 들어 습식 프로세스는 일반적으로 사람들이 많이 사용하는 방법입니다. 하지만 공정과정에서 etchant 나 유기용매(solvent) 등이  2D 재료들 간의 계면에  노출되게 됩니다. 계면은 깨끗할수록 원래의 특성을 보존하는지라 계면을 깨끗하게 하려는 연구가 따로 진행되고 있었습니다. 준건식 방법은 저희가 주로 사용한 공정으로 계면이 형성되는 과정에서 다른 용매 등에 노출되지 않습니다. 당연히 계면 상태가 훨씬 깨끗하게 보전이 됩니다. 특성도 원래의 특성을 유지할 수 있습니다. 단점은 공정 시 금속증착이 필요해 비싼 진공공정을 한 번 더 거쳐야 한다는 점입니다.

 

Q.이 기술을 향후 어떻게 더 발전시키실 계획이신지요. 
A>현재 이런 대면적 이종구조소자를 제작할 수 있는 그룹이 저희 그룹과 한 그룹 더 있는 상황입니다. 저희 방법의 경우는 재료에 제한이 없다는 장점이 있습니다. 기존에 물리현상을 관찰하는 수준에서만 이뤄졌던 이 분야 연구를 회로 수준까지 구현하는 게 1차적인 목표입니다. 현재 실험을 진행하고 있습니다. 그렇게 될 경우 더 상용화에 가까운 연구를 진행할 수 있으리라 기대하고 있습니다.

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