November 14,2018

원자 한층 두께 2차원 박막 대면적 생산기술 개발

미국 MIT 김지환 교수 "차세대 전자소자 대면적·고수율 생산 가능"

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차세대 전자소자 소재로 주목받는 2차원 물질을 머리카락 굵기 10만분의 1 정도 두께의 단일원자층 대면적 박막으로 만들 수 있는 기술이 국제공동연구진 의해 개발됐다.

미국 매사추세츠공대(MIT) 기계공학·재료공학부 김지환 교수팀은 15일 이황화몰리브덴(MoS₂) 등 2차원 나노판상 구조 소재들을 원자 1개 두께의 대면적 박막으로 생산할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.

김 교수가 교신저자로, 심재우·배상훈·이도윤 박사가 제1저자로 참여한 이 연구는 ‘사이언스’(Science. 10월 11일자)에 게재됐으며, 버지니아대 이규상 교수팀과 연세대 안종현 교수팀, 조지아공대 연구팀, 텍사스대 연구팀도 참여했다.

2차원 박막 소재는 2004년 영국 맨체스터대 연구팀이 테이프를 이용해 흑연에서 그래핀(graphene)을 원자 한 층 두께로 기계적으로 박리하는 데 성공한 뒤 독특한 전기·광학적 특성, 유연성, 탄력성 등 우수한 물성으로 차세대 전자·광학 소자로 주목받고 있다.

그래핀 이후 2차원 나노판상 구조의 육방정계 질화붕소(h-BN), 이황화몰리브덴(MoS₂), 이황화텅스텐(WS₂), 이셀레늄화몰리브덴(MoSe₂), 이셀레늄화텅스텐(WSe₂) 등 다양한 2차원 소재도 관심을 끌고 있다.

그러나 이런 물질을 소자 제작에 필요한 고품질 대면적 박막으로 생산하는 것이 어려워 상용화에 걸림돌이 되고 있다. 현재의 기계적 박리방법으로는 박막을 마이크로미터(㎛=100만분의 1m) 정도 크기로 생산할 수 있다.

연구팀은 이 연구에서 금속 니켈(Ni)과 2차원 물질 간 결합력을 이용해 2차원 물질을 지름 5㎝, 원자 한 층 두께의 박막으로 수 분 안에 만드는 데 성공했다.

먼저 사파이어 기판 위에 2차원 물질을 여러 층으로 성장시킨 뒤 윗면에 60나노미터(㎚=10억분의 1m) 두께의 니켈 필름을 덮는다.

니켈과 2차원 물질 간 결합력은 2차원 물질층 간의 결합력보다 강해 니켈 필름을 들어 올리면 2차원 물질이 원자 1개 층 박막으로 떨어진다. 이 과정을 반복하면 고품질의 단일원자층 박막을 빠르게 생산할 수 있다.

연구팀은 이렇게 만든 2차원 박막을 여러 층으로 쌓아 높은 전류 점별비와 이동도를 갖는 전계효과트랜지스터(field-effect transistor)와 높은 광발광(photoluminescence) 소자를 구현, 전자·광소자 응용 가능성을 확인했다.

김지환 교수는 “이 방법으로 고품질·대면적의 단일원자층 2차원 박막을 높은 수율로 만들어 낼 수 있다”며 “웨어러블 전자기기, 초저전력 소자, 차세대 배터리, 스마트 유리 등과 같은 다양한 산업 분야에 적용이 가능할 것”이라고 말했다.

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