▲ 화학기상증착법의 개략도.

새로운 이차원 물질의 원자층 두께 대면적 성장 기술이 개발돼 소자의 소형화 문제 개선, 태양전지 효율성 제고 및 차세대 투명 플렉서블 소자 구현이 기대되고 있다.

미래창조과학부(장관 최문기)는 최근 카이스트(KAIST) 최성율 교수 팀이 이셀렌화몰리브덴을 원자층 두께로 대면적 성장시키는 기술을 세계 최초로 개발했다고 28일 밝혔다.

이번 연구는 최성율 교수의 주도로 조병진 교수, 안치원 박사 등이 공동으로 수행했으며, 미래부가 지원하는 글로벌프론티어사업의 나노기반소프트일렉트로닉스연구단(조길원 단장) 및 나노소재원천기술개발사업 지원으로 수행됐다. 연구결과는 나노분야 국제학술지 ACS Nano지 7월2일자 온라인판에 게재됐다.

이번 연구를 통해 현재 직면하고 있는 전자 소자의 소형화 문제와 태양전지 등의 효율 문제를 획기적으로 개선할 수 있을 뿐 아니라, 얇고 투명하며 기계적으로 강하고 질긴 특성으로 차세대 투명 플렉서블 소자 구현에 중요한 밑거름이 될 것으로 기대되고 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 이셀렌화몰리브덴(MoSe2)과 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.

또한 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 기대되고 있다.

연구진은 “그래핀은 전기적, 광학적, 기계적 특성이 매우 우수하지만 전도성 물질이기 때문에 반도체 특성을 가진 소재에 대한 연구가 전세계에서 경쟁적으로 진행되고 있다”며 “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 밝혔다.