한국표준과학연구원(KRISS) 진공기술센터 강상우 책임연구원(사진 왼쪽) 연구팀이 화학기상증착장비로 대면적 이차원 이황화몰리브덴 성장 실험을 하고 있다.(KRISS 제공)
잘 휘어지면서도 성능에 변화가 없는 '웨어러블(wearable) 기기'는 고성능의 유연 전자소자가 필수적이다. 이러한 유연전자소자를 만들기 위해서는 이차원 소재를 합성해야 하는데, '고온'에서 합성할 경우 발생되는 열로 인해 플라스틱 기판이 녹아버리는 문제가 있다.
한국표준과학연구원(KRISS) 진공기술센터 강상우 박사팀과 성균관대학교 기계공학부 김태성 교수팀은 이같은 문제를 극복하기 위해 350°C 이하의 상대적으로 낮은 온도에서 화학기상증착법을 이용한 이차원 이황화몰리브덴(MoS)의 대면적 합성에 성공했다고 3일 밝혔다.
그래핀과 함께 차세대 신소재로 주목받고 있는 이황화몰리브덴은 전자이동도 및 점멸비가 높아 전류의 흐름을 통제하기 쉬운 장점이 있는 만큼, 실리콘을 대체할 가장 유력한 2차원 물질 후보로 떠오르고 있다.
또 다른 실리콘 대체 후보 물질인 그래핀은 현존하는 물질 가운데 열과 전기가 가장 잘 통하지만 밴드갭(band gab)이 없어 전류의 흐름을 통제할 수 없다는 한계가 있는 반면, 이차원 이황화몰리브덴은 두께에 따라 1.2∼1.8 전자볼트(eV)의 밴드갭을 갖고 있어 광 및 전자소자 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.
기존의 이차원 이황화몰리브덴 합성은 500°C 이상의 고온에서 화학기상증착법을 사용해 이뤄졌지만, 높은 열로 인해 플라스틱 기판이 녹기 때문에 차세대 전자소자로써 상용화가 어려웠다.
공동 연구진은 전구체와 반응가스를 초미세하게 조절하고, 분압비율로 표면 상태를 이차원 성장에 최적화시키는 방법을 통해 350°C 이하 저온에서 층 수 조절이 가능하고 3인치 대면적에 균일하게 이차원 이황화몰리브덴을 합성하는 공정 기술을 개발했다.
이 기술은 고품질의 이차원 이황화몰리브덴을 플라스틱 기판에 직접 증착시킬 수 있어 유연전자소자 제작에 사용 가능하다.
KRISS 강상우 박사는 "그동안 이차원 소재 상용화에 걸림돌이었던 증착 온도의 한계를 극복하는 원천기술을 세계 최초로 개발해 우리나라의 주력 산업인 반도체 및 디스플레이 분야에서 기술적 우위를 점할 수 있게 됐다"며 "디스플레이 관련 기업은 기존에 가지고 있던 장비에 이번 기술을 즉각적으로 적용할 수 있을 것"이라고 말했다.
이번 연구 결과는 국제과학 학술지 '사이언티픽 리포트'(Scientific Reports, 2월 23일자)에 실렸다.