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호서대학교(총장 김대현) 전자및디스플레이공학부 최운섭 교수팀이 반도체와 디스플레이산업의 최신 기술인 2차원 소재를 대면적으로 합성하여 원자층을 형성하는 기술을 세계 최초로 개발했다.
이번 기술을 이용하면 2차원 소재를 인쇄공정에 적용하여 원하는 패턴을 만들어 이를 전자소자로 제작할 수 있기에 2차원 소재의 연구와 응용에 새로운 장을 열었다.
이번 연구는 한국연구재단의 지원으로 수행되었고, 공학재료분야의 JCR 상위 저널이자 Nature 자매지인 npj 2D Materials and Applications 온라인판에 9월11일자에 게재됐다. (논문명: Bottom-up water-based solution synthesis for a large MoS2 atomic layer for thin-film transistor applications, 공동저자: Y.J. Kwack, T.T.T. Can)
연구책임자인 최운섭 교수는 “본 연구는 2차원 소재를 합성하는 방법으로 기존의 화학기상증착기(CVD)를 사용하지 않고 수용성인 전구체를 사용하여 2차원 소재를 대면적으로 합성하는 기술을 최초로 개발한 것, 기존의 기술로는 불가능한 printing 기술을 2차원 소재에 적용하여 다양한 원자층으로 형성한 것, 트랜지스터(TFT)에 적용하여 우수한 전기적 특성을 확보한 것이 핵심”이라고 밝혔다.
기존의 2차원 소재를 합성하는 방법은 석영관에 황을 첨가 첨가하여 고온으로 반응시키는 CVD를 이용한 방법이 가장 많이 사용되고 있다. 이 경우에는 2차원 소재 내의 황 성분과 원자층 두께를 조절하기 어렵고, 또한 패턴형성을 위한 추가적인 후공정이 필요하다.
최 교수 연구팀은 2차원 소재의 수용성 전구체와 황을 첨가하여 새로운 용액(sulfur-rich solution)을 만들고, 이것으로 박막을 형성시킨 후에, 이 박막을 열처리에 의하여 2차원 소재로 변환하는데 성공한 것이다. 이때 용매로 물을 사용하여 친환경적인 공정이 가능하게 하였다. 본 연구로 2차원 소재를 용액공정으로 원자층 두께를 다양하게 조절하며 합성할 수 있고, 또한 4 inch 이상의 대면적으로도 제작될 수 있음을 증명하였다.
최 교수는 관련 논문(Materials and Design, 2021, Nanotechnology 2021)에서“기존의 CVD 등의 방법으로는 대면적의 한계와 아울러 원하는 형태로의 패턴이 불가능하다. 즉 2차원 소재를 직접 인쇄할 수 있는 방법이 없는 것이다. 그러나 본 기술은 수용액 상태의 전구체 용액을 인쇄하여 원하는 drop-on-demand 패턴으로 만들 수 있었다. 형성된 2차원 소재 패턴을 원자층 형태로 제작하고 TFT소자에 적용하였다”고 설명했다.
또한 “기존의 2차원 소재를 이용한 전자소자로서 트랜지스터(TFT)의 제작시에는 금(Au)등의 고가의 전극소재를 사용하였으나 본연구는 알루미늄(Al)을 사용하여 상대적으로 저가의 공정으로 우수한 전기적인 특성을 확보하였다.”고 밝혔다.
본 연구 결과는 2차원 소재의 친환경 공정 개발과 전자소자로의 응용 연구에 새로운 지평을 열 수 있는 와해성 기술로서 향후 대한민국의 반도체와 디스플레이산업에 초석이 될 것으로 전망한다.
