이황화몰리브데늄 단일층화…차세대 반도체 성큼

IBS 연구팀 개발

▲원하는 위치에 이황화 몰리브데늄(MoS2) 합성방법.[사진제공=IBS]

[아시아경제 정종오 기자] 상당히 까다로운 이황화몰리브데늄을 그래핀처럼 단일층화하는 기술이 개발됐다. 차세대 반도체 소재 합성 기술로 각광받고 있는 분야이다.

이황화몰리브데늄(MoS2)은 Mo 원자 하나에 황(S)원자가 두 개 붙어 있는 층상 구조로 반도체 특성을 갖고 있다. 다중층 구조로부터 층이 줄어들면서 단일층화돼 밴드갭의 형태가 변하는 특성을 갖고 있다.

기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 나노구조물리연구단(단장 이영희, 성균관대 물리학과 교수) 연구팀이 이황화몰리브데늄1)을 원하는 위치에 단일층으로 합성하는 기술을 개발하는데 성공했다. 이황화몰리브데늄을 활용한 차세대 반도체 소재 응용연구가 활발해질 것으로 기대된다.

이황화몰리브데늄은 원자 수준의 얇은 막으로 차세대 나노소재로 각광받고 있는 물질이다. 구조적으로 그래핀과 비슷한데 자체 에너지 밴드갭이 있어 반도체 특성을 뚜렷하게 보인다는 특징이 있다. 이황화몰리브데늄은 이런 반도체성으로 인해 앞으로 태양전지, 휘는 디스플레이, 투명 전자소자 등 다양한 광·전자소자 영역에 응용될 것으로 예상된다.

밴드갭(band gap)은 반도체에서 전자가 존재하고 있는 가장 높은 에너지 레벨에서부터 전자가 존재하지 않는 가장 낮은 에너지 레벨 사이의 에너지 준위를 뜻한다.

연구팀은 이황화몰리브데늄을 합성할 때 필요한 산화몰리브데늄을 특정 위치에 증착하는 한편 성장 촉진제를 이용해 양질의 입자를 지닌 이황화몰리브데늄막을 원하는 위치에 합성하는 기술을 개발하는데 성공했다. 산화몰리브데늄 또는 순수한 몰리브데늄을 황화시켜 특정 기판위에 이황화몰리브데늄을 합성한 사례가 있는데 이런 방법은 원하는 위치에 합성하기가 어렵거나 단일층 합성이 어렵다는 공정상 제한이 있었다. 연구팀은 이황화몰리브데늄 합성 중 양립할 수 없었던 한계를 극복했다.

이번 기술 개발은 기존 물질 합성 방식의 한계를 뛰어넘었다는 점과 반도체 산업의 핵심 기술인 양질의 물질을 원하는 위치에 합성할 수 있는 방법론을 제시했다는데 큰 의의가 있다.

IBS 나노구조물리연구단과 미국 펜실베이니아대학교의 공동연구로 수행된 이번 연구결과는 네이처 커뮤니케이션즈5)(Nature Communications, IF 10.742)에 1월 28일자 온라인(논문명: Seeded Growth of Highly Crystalline Molybdenum Disulphide Monolayers at Controlled Locations)에 실렸다.

이영희 IBS 나노구조물리연구단장은 "이번 연구는 양질의 층상구조 물질을 원하는 위치에 직접적으로 합성할 수 있는 기술을 처음으로 개발한 연구"라며 "초기단계의 칼코겐화 물질 연구에 있어 확장이 가능한 중요한 사례"라고 전했다. 칼코겐화는 주기율표 상에서 '칼코겐(Chalcogen)'으로 통칭되는 황(S), 셀레늄(Se), 텔루륨(Te) 등을 화학적으로 반응시키는 과정을 말한다.