▲ 나트륨이온에 의한 2D 나노시트 박리 모식도.

국내 연구진이 물에 나트륨(Na)을 넣어 신개념 이차원(2D) 반도체 소재의 나노시트(Nano sheet) 기술 개발에 성공했다. 향후 이차원 반도체 개발에 새로운 길 여는데 도움을 줄것으로 보인다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 나노 두께 극초박막 형태 신물질로 큰 관심을 끌고 있는 이차원(2D) 반도체 나노시트를 제조하는 핵심기술 개발에 성공했다고 9일 밝혔다.

흑연에서 얇게 한 층으로 쪼개 낸 그래핀과 같은 소재를 이차원 소재라 부른다. 이번 연구진이 개발에 성공한 나노시트는 이차원 소재 중 반도체에 속하는 소재들이다.

이차원 반도체는 두께가 나노 크기로 매우 얇게 쪼개질 수 있는 특이한 성질을 가지고 있다. 두께가 무시할 만큼 얇다는 의미로 가로, 세로의 이차원 형태만 고려하여 이차원 반도체로 불린다.

특히 이차원 소재의 나노 박막은 유연하고 투명한 특징이 있다. 기존 반도체가 5나노미터(nm) 두께 한계로 집적도 제한이 있었는데 이로부터 자유롭다. 따라서 반도체 소자를 구성하는 반도체 막같은 차세대 전자 소자들에 많은 응용이 기대된다.

기존 이차원 반도체의 경우 리튬 이온과 유기용매를 활용, 고농도 분산액을 얻을 수 있다. 하지만, 유기용매 사용 시 작업자 건강에 유해하고, 환경오염 등 문제가 있다. 더군다나 리튬은 물과 폭발적으로 반응한다.

이에 연구진은 물에 쉽게 용해되며 가격이 매우 저렴하고 취급이 쉬운 나트륨 이온을 활용한 나노시트 박리 기술을 최초로 개발했다. 잘 쪼개지는 결정석을 물에 넣어 나트륨을 첨가, 초음파를 가해 나노미터 이하 두께의 한 층, 한 층이 쪼개져 나오는 나노시트 기술 개발에 성공했다.

특히 기존 리튬 이온을 이용한 이차원 반도체 박리 나노시트는 표면이 산화되는 등의 변성을 동반하였으나, 본 기술은 전혀 물성의 변화가 일어나지 않았다. 향후 특성 개선을 위한 후속 공정 없이 2D 반도체의 우수한 특성을 잘 활용할 수 있다.

또한 ETRI는 개발한 나트륨 이온 활용 기술로 박리한 나노시트가 물 속에 고루 분산되어 떠있는 수분산액을 얻게 되었다고 밝혔다. 본 용액은 매우 안정적이어서 다양한 분야에 유용하게 사용될 수 있다.

이차원 반도체 나노시트 수분산액은 물에 쉽게 용해되는 고분자를 혼합해 나노시트-고분자 복합체를 제조할 수 있다. 연구진은 파우더 형태의 수용성 고분자를 수분산액에 넣어 점성이 높은 액체로 만든 후, 이를 반도체 막의 기판위에 얇게 코팅하여 메모리 소자 용 반도체 층을 만들었다.

저가 용액공정으로도 유연한 메모리 소자나 센서 등을 대량 제조할 수 있게 된 것이다.

연구진은 이차원 반도체인 이황화 텡스텐(WS2), 이황화 몰리브덴(MoS2) 나노시트를 폴리비닐알콜 수용성 고분자와 혼합한 복합체 박막들을 형성, 메모리 소자도 제조했다.

ETRI 연구진은 간단한 메모리 소자 어레이를 제조하여 데이터를 쓰고 반복해 읽는 과정을 시험하여 안정적인 메모리 동작을 확인하는데 성공했다. 연구진은 이차원 소재 나노시트가 향후 전기차의 고용량 축전지, 이차전지, 유연하고 투명한 전자기기 등에 활용될 것으로 보고 있다.

한편, 본 기술은 과학기술정보통신부와 정보통신기술진흥센터가 지원하는 ‘차세대 신기능 스마트디바이스 플랫폼을 위한 대면적 이차원소재 및 소자 원천기술 개발’의 일환으로 개발됐다. 또한 나노 소재 전문학술지인 스몰(Small) 지에 지난해 말 온라인 게재되었고 올해 2월경 표지논문에 선정, 출판될 예정이다.