• 이차원 반도체 소재의 막으로 활용가능 길 열어
• ETRI, 나트륨 활용 만든 나노시트 신소재 수분산액 제조

국내 연구진이 물에 나트륨(Na)을 넣어 신개념 이차원(2D) 반도체 소재의 나노시트(Nano sheet) 기술 개발에 성공했다. 이로써 향후 이차원 반도체 개발에 새로운 길을 열게 되었다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 나노 두께 극초박막 형태 신물질로 큰 관심을 끌고 있는 이차원 반도체 나노시트를 제조하는 핵심기술 개발에 성공했다. 이 기술은 나노 소재 전문학술지인 스몰(Small) 지에 지난해 말 온라인 게재되었고 올해 2월경 표지논문에 선정, 출판될 예정이다.

흑연에서 얇게 한 층으로 쪼개 낸 그래핀과 같은 소재를 이차원 소재라 부른다. 물론, 그래핀은 전도체이다. 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.

ETRI 연구진이 친환경 용매인 물과 나트륨 이온을 활용하여 제조된 2차원 나노재료 (나노시트)가 분산되어 있는 수용액을 설명하고 있는 모습 (사진 좌측부터 양준재 연구원, 윤선진 책임연구원(과제책임자), 연창봉 연구원)

병에는 최근 주목받고 있는 2차원 소재인 이황화몰리브덴(MoS2)의 수분산액이 담겨 있으며, 20 nm 크기의 미세한 구멍들이 있는 흰색 여과지에 여과된 2차원 나노시트임.

향후 연구진은 반도체 소자를 구성하는 반도체 막으로 본 나노시트가 널리 활용될 것으로 예상하고 있다. 특히 이차원 소재의 나노 박막은 유연하고 투명한 특징이 있다. 기존 반도체가 5나노미터(nm) 두께 한계로 집적도 제한이 있었는데 이로부터 자유롭다. 따라서 차세대 전자 소자들에 많이 응용 될 것으로 기대된다.

연구진은 덩어리 형태의 결정석을 이차원 단위로 얇게 쪼개 박리(剝離)하여 나노시트를 제조하는 새로운 기술 개발에 성공했다. 특히, 이차원 반도체의 경우 리튬(Li) 이온과 유기용매를 활용, 고농도 분산액을 얻을 수 있다. 하지만, 유기용매 사용 시 작업자 건강에 유해하고, 환경오염 등 문제가 있다. 더군다나 리튬은 물과 폭발적으로 반응한다.

ETRI는 쉽게 물에 용해되며 가격이 매우 저렴하고 취급이 쉬운 나트륨(Na) 이온을 활용한 나노시트 박리 기술을 최초로 개발하였다. 연구진은 잘 쪼개지는 결정석을 물에 넣어 나트륨(Na)을 첨가, 초음파를 가하여 나노미터(nm) 이하 두께의 한 층, 한 층이 쪼개져 나오는 나노시트 기술 개발에 성공한 것이다.

기존 리튬 이온을 이용한 이차원 반도체 박리 나노시트는 표면이 산화되는 등의 변성을 동반하였으나, 본 기술은 전혀 물성의 변화가 일어나지 않았다.

이차원(2D) 소재의 변성이 일어날 경우 완전한 특성 회복이 매우 어려운 점을 고려할 때, 특성 개선을 위한 후속 공정 없이 2D 반도체의 우수한 특성을 잘 활용할 수 있다는 점에서 ETRI 기술이 기존 기술에 비해 매우 유리하다고 할 수 있다.

금속바를 이용하여 위에서 아래로 밀어내리면서 균일하게 도포되도록 하는 그림. 이어서 hot plate 등에서 수분을 증발시키면 막이 형성됨.

ETRI는 개발한 나트륨 이온 활용 기술로 박리한 나노시트가 물 속에 고루 분산되어 떠있는 수분산액(水分散液)을 얻게 되었다고 밝혔다. 이 용액은 매우 안정적이어서 다양한 분야에 유용하게 사용될 수 있다.

아울러, 이차원 반도체 나노시트 수분산액은 물에 쉽게 용해되는 고분자를 혼합하여 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.

이처럼 저가 용액공정으로도 유연한 메모리 소자나 센서 등을 대량 제조할 수 있게 되었다. 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 반복하여 읽는 과정을 시험하여 안정적인 메모리 동작을 확인하는데 성공했다고 밝혔다. 연구진은 이차원 소재 나노시트가 향후 전기차의 고용량 축전지, 이차전지, 유연하고 투명한 전자기기 등에 활용될 것으로 보고 있다.  이 기술은 과학기술정보통신부와 정보통신기술진흥센터가 지원하는 ‘차세대 신기능 스마트디바이스 플랫폼을 위한 대면적 이차원소재 및 소자 원천기술 개발’의 일환으로 개발되었다.

향후 ETRI는 다양한 메모리 소자 개발과 2D 반도체 소재에 대한 물성연구 및 이 연구 결과물의 응용분야 모색을 진행할 예정이다.

매우 투명한 고분자 필름 위에 코팅된 2차원 나노시트 필름의 코팅 균일성과 투과성을 관찰하고 있는 모습(사진 좌측부터 윤선진 책임연구원(과제책임자), 연창봉 연구원)

ETRI홍보실 제공