그래핀, 전이금속 칼코겐화합물, 육방정계 질화붕소와 같은 이차원 소재는 원자 수준의 두께(1nm)에서 새로운 물리·화학적 현상이 발현되어 차세대 전자·광소자, 유연소자 뿐만 아니라 센서, 배터리, 촉매 등 다양한 분야에 응용이 가능한 핵심 미래소재로서 기대를 받고 있다.

이러한 이차원 소재는 응용 분야별로 다양한 생산기술이 요구된다. 예를 들면, 전자·광소자 분야에서는 대면적 박막, 촉매와 센서 분야에서는 단위 부피 당 노출 면적이 넓은 분말이나 나노시트가 적합하다.

기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단 이영희 단장(성균관대학교 교수)팀(최수호 박사, 윤석준 박사), 성균관대학교 에너지과학과 김기강 교수 연구팀(원요섭 연구원, 오창석 연구원), 숙명여자대학교 김수민 교수 연구팀은 현재까지 연구·개발된 이차원 소재의 다양한 생산기술을 소개하고 문제점과 해결 방향을 제시하였다.

이차원 소재의 대표적인 생산기술로는 화학기상증착법, 액상박리법, 수열합성법이 있다. 화학기상증착법은 고품질 박막을 대면적으로 생산 가능한 기술로 고품질이 요구되는 전자 및 광소자 응용에 적합한 반면 높은 공정온도(500℃) 및 합성가능 소재 종류의 제한이 있다. 액상박리법은 이차원 광물을 나노시트로 박리하는 기술로서, 노출 면적이 넓은 이차원 물질을 생산하고 공정온도가 낮은 장점이 있어, 센서와 유연소자 응용에 적합한 생산기술이나 낮은 나노시트의 품질과 균일도 문제점이 있다. 수열합성법은 이차원 나노분말을 합성하는 기술로 배터리, 촉매 등에 응용이 가능하지만 생산수율이 낮다. 나아가, 박막을 다른 기판으로 옮기는 전사문제, 대면적 특성분석 기술의 부재, 불순물 및 환경오염 문제 등이 남아있어 추후 연구개발이 필요함을 지적하였다. 

이번 연구를 이끈 이영희 단장은 "이차원 소재는 미래 먹거리 핵심물질 후보군으로 큰 잠재력을 가지고 있으나, 대면적 생산기술이 부족해 산업화에 걸림돌이 되고 있다. 따라서 각 분야별 생산기술 문제점을 정확히 판단하고 개선방향을 제안해 상용화를 앞당길 수 있을 것”이라고 예측했다.

본 연구성과는 과학기술분야 세계적인 학술지인 네이쳐 커뮤니케이션스에 2022년 3월 온라인 게재되었다.

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