2차원 물질 오염 없이 쌓는 공정 개발

설재훈 광주과학기술원(GIST) 교수팀이 반데르발스 힘을 이용한 이황화몰리브덴(MoS2) 전사 실험을 시연하고 있다. GIST 제공

국내 연구팀이 2차원(2D) 물질로 소자를 만들 때 발생하는 오염 문제를 근본적으로 해결하는 방법을 제시했다. 2차원 물질을 활용한 차세대 전자·광소자의 성능과 신뢰도를 크게 향상할 것으로 기대된다.

광주과학기술원(GIST)은 설재훈 기계로봇공학과 교수팀이 2차원 물질을 외부 오염 없이 고순도로 확보하고 정밀하게 조작할 수 있는 획기적인 공정 기술을 개발했다고 22일 밝혔다. 연구결과는 4월 2일(현지시간) 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈'에 공개됐다.

2차원 물질은 원자 몇 개 정도의 두께로 초박막 구조를 이룬다. 탄소(C) 원자가 육각형 평면 구조로 배열된 그래핀이나 이황화몰리브덴(MoS2)이 대표적이다. 매우 가볍고 전기전도성, 열전도성이 뛰어나며 기계적 강도도 우수해 차세대 전자기기 소재로 주목받는다.

2차원 물질은 얇고 민감하기 때문에 제작·활용 과정에서 발생하는 불순물이나 미세한 기계적 손상이 특성을 크게 떨어뜨린다는 문제가 있다. 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 같은 고분자 물질을 활용해 2차원 물질을 지지하는 공정이 널리 활용되지만 PMMA를 제거한 뒤 잔류물이 표면에 남는다는 문제가 있다.

반데르발스 힘을 이용해 불순물이 없는 깨끗한 2차원 물질을 획득하는 과정. GIST 제공

연구팀은 같은 물질 사이에 작용하는 힘인 '반데르발스 힘'을 활용해 이황화몰리브덴으로 순수한 2차원 물질 조각을 확보하는 데 성공했다. PMMA 같은 고분자 물질을 사용하지 않고도 전사(붙이기), 뒤집기, 적층(쌓기) 같은 정밀 조작이 가능하다.

연구팀이 개발한 공정을 통해 만든 2차원 물질을 광학적으로 분석한 결과 잔류물, 결함, 산화, 기계적 변형 없이 매우 깨끗한 상태를 유지하는 것으로 확인됐다. 전자 이동도와 온오프 전류비 등의 성능지표가 고성능 전자소자 구현에 적합한 수준이라는 설명이다.

개발된 기술은 여러 그래핀이 포개진 다층 그래핀(MLG)이나 육방정계 질화붕소(h-BN) 등 다양한 2차원 물질에 적용될 수 있다. 

설 교수는 "2차원 물질의 고유한 특성을 그대로 유지하면서도 다양한 2차원 소재를 활용해 맞춤형 소자 구조를 자유롭게 제작할 수 있는 길을 열었다"며 "향후 2차원 물질 기반 전자 및 광전자 소자의 성능 향상에 크게 기여할 것"이라고 기대했다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1002/adma.202418669

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]