기계공학부/성균나노과학기술원 김태성, 이창구 교수 공동연구팀이 세계최초로 2차원물질인 이황화몰리브덴(MoS2)를 플라스틱 기판에 직접 합성하는 기술을 개발했다. 이황화몰리브덴은 그래핀과 함께 대표적인 박막형 2차원 물질로, 투명성과 유연성이 높아 실리콘을 대체할 차세대 꿈의 신소재로 불린다. 이황화몰리브덴의 합성은 600-1,000℃ 정도의 고온에서 주로 이뤄져 왔다.

이 방법은 고온조건으로 인해 플라스틱과 같은 유연한 물질은 기판으로 직접 사용할 수 없고 공정이 복잡했다. 연구팀에서 개발한 플라즈마 화학기상증착법에 의한 2차원물질 합성법은 이러한 단점을 완전히 보완하여 플라스틱이 충분히 견딜 수 있는 150℃ 정도의 저온환경에서 물질을 합성함으로써 플라스틱 기판에 직접 합성할 수 있게 했다.

이 기술을 통해 저비용으로 기존의 성능을 충분히 구현해낼 수 있다. 플렉서블 전자소자/기기나 웨어러블 소자 등 차세대 전자제품에 폭넓게 활용될 수 있어 투명하고 휘어지는 종이형태의 태블릿PC 제조를 훨씬 저렴하고 생산적으로 할 수 있게 하는 핵심 기술이란 평이다.

기존의 공정과정에서는 유연한 기판을 사용하기 위해서 고온에 견디는 실리콘과 같은 무기물 기판에 먼저 합성한 후 이를 유연기판에 전사하는 방법을 사용했다. 하지만 전사법은 본래의 기판을 없애거나 손상해야 하고, 전사과정에서 얇은 2차원물질이 찢어지거나 결함이 생기는 경우가 다반사여서 좋은 품질의 소자를 만들기가 지극히 어려워 대면적 2차원소재를 전자소재로 사용하는 상업화에 최대의 걸림돌이 되어 왔다. 공동연구팀이 새로 개발한 합성법은 전사공정이 전혀 필요하지 않아, 간단한 공정방법과 적은 비용으로 고품질의 소재를 생산할 수 있는 획기적인 기술력을 획득한 것이다.

본 논문의 공동 1저자인 안치성 박사과정 학생(성균나노과학기술원)과 이진환 박사과정 학생(기계공학부)은 "기존 플라즈마 화학기상증착법의 경우 반도체 산업에서 산화막 또는 질화막 등의 절연체 박막을 합성하는 데 주로 사용되었지만 본 연구를 통해 플라스틱 기판상에 나노미터 두께 수준의 반도체 박막을 합성할 수 있었다"라고 하면서 "본 연구는 기존 반도체 공정 설비를 이용하여 절연체 박막 또는 2차원 반도체 박막을 저온에서 플라스틱 기판 위로 직접 합성할 수 있어 플렉서블 전자소자/기기 등을 저비용으로 대량 생산이 가능한 획기적인 원천기술이다"라고 전했다. 이 기술은 지난 6월 국내 특허를 획득하였고, 미국과 중국 역시 작년 11월 특허를 출원한 상태이다.

기존에 그래핀이 플라즈마를 이용하여 합성을 시도했으나, 최소 400℃ 정도의 온도가 필요하여 플라스틱에 직접 합성할 수는 없었으며 물질성능이 상당히 낮은 편이어서 응용에 한계가 많은 것으로 알려져 있다. 연구팀은 먼저 1nm 정도의 금속 몰리브덴을 플라스틱 (폴리이미드) 기판에 진공 증착한 후에 이를 플라즈마 화학기상증착기에 넣고 150℃ 정도의 온도를 기판에 가하면서 수소와 이황화수소를 흘려주면서 플라즈마를 생성하여 몰리브덴과 황이 반응하도록 하는 방법을 사용하였다.

이를 통해서 4인치 기판에 균일한 5~6층 정도의 2차원 이황화몰리브덴 필름을 형성하였다. 이 필름은 전하이동도가 약 2~4 cm2/Vs정도로 기존의 고온에서 생산된 고품질의 소재와 거의 차이가 없는 높은 성능을 보여주었다. 합성된 필름을 이용하여 습도센서를 제작하여 신뢰성 있게 작동시연을 통해 전자소자 등에 직접 사용할 수 있음을 증명하였다.

본 연구는 글로벌 프론티어 소프트일렉트로닉스연구단, 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업의 지원으로 이루어졌으며 소재분야 최고의 권위지인 '어드밴스드 매터리얼즈' 8월 10일자 온라인판에 게재되었다.