2차원 신소재 ‘원 스텝’(One-step) 합성법 개발

전이금속 화합물을 합성하는 과정에서 내부 구조에 인위적인 ‘원자 구멍’(공극결함, vacancy)을 만들어 전기적·물리적 특성을 제어하는 새로운 기술이 나왔다. 이 기술은 화합물 합성에 투입하는 액체 원료 비율을 조정함으로써 합성 과정 중에서 공극결함을 만드는 방식이다. 기존 방식과 달리 단번에 공극결함이 균일하게 분포된 전이금속 화합물을 상용화 가능한 큰 크기로 만들 수 있어 주목을 받고 있다.

UNIST(총장 이용훈) 박혜성·김진영·곽상규 교수팀은 이황화몰리브덴(MoS2) 구조 내부에 공극결함(황 원자의 빈자리)을 균일하게 ‘도핑’(doping)하는 기술을 개발했다. 이황화몰리브덴은 차세대 반도체· 촉매 재료로 꼽히는 2차원 전이금속 화합물의 한 종류다. 연구진은 액체 원료를 사용해 도핑 농도를 쉽게 조절하고, 공극결함의 분포가 불균일하다는 기존의 문제를 해결했다. 또 이 방식은 물질 합성 과정과 도핑 과정이 동시에 일어나 공정단계 단축을 통한 생산비용 절감이 가능하다.

그림1. 액상원료를 이용한 전이금속 화합물 합성 방법.

기존의 공극결함 도핑 방식은 고체 전구체를 이용해 전이금속 화합물을 먼저 합성한 뒤 여기에 다시 600도(℃)이상의 고온 열처리나 플라즈마 처리 같은 후처리 공정 거쳐 원자를 ‘뜯어내는’ 방식이다. 이 방식은 공정 단계가 복잡하고 합성 면적이 넓어질수록 공극결함 분포가 불균일해진다.

연구진은 몰리브덴(Mo)과 황(S) 원소가 각각 포함된 두 종류의 액상 전구체의 비율을 조절해 공극결함이 균일하게 도핑된 대면적 이황화몰리브덴을 얻었다. 황 원소가 포함된 액상 전구체 비율이 낮으면 이황화몰리브덴 합성 과정에서 내부의 황 성분이 부족해져 저절로 황 원자 자리가 비는 공극결함이 생긴다. 전구체에 포함된 액체 성분은 저온 가열을 통해 쉽게 제거할 수 있다. 또 액상 전구체를 기판 위에 올린 뒤 기판을 빠르게 회전시켜 균일하게 도포하기 때문에 큰 면적으로 합성해도 공극 결함 분포가 균일하다.

그림2. 공극결함이 균일하게 ‘도핑’된 전이금속 화합물 대면적 합성

제1저자인 이정현 신소재공학과 박사과정 연구원은 “이번에 개발된 합성법은 이황화몰리브덴 외에도 다양한 전이금속 화합물의 물성 조절에 쓰일 수 있다”고 설명했다.

UNIST 신소재공학과 박혜성 교수는 “본 연구를 통해 개발된 전이금속 화합물 합성법은 대면적 합성과 물성 제어가 동시에 가능해 전기화학촉매 개발 분야뿐만 아니라 트랜지스터, CMOS(씨모스)와 같은 다양한 반도체 소자 재료 개발에도 적용 가능할 것”이라고 기대했다.

이번 연구는 나노·재료 분야의 권위 학술지인 ‘ACS Nano’ 에 12월 7일자로 온라인 선공개 됐으며 출판을 앞두고 있다. 연구 수행은 한국연구재단 중견연구자지원사업 및 기초연구실지원사업의 지원을 통해 이루어졌다.