최근 국내 연구진이 광발광 효율을 대폭 향상시킬 수 있고 다양한 가스의 감지가 가능한 이차원(2D) 전이금속 칼코겐 화합물 반도체 제조 기술을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 센서시스템연구센터 전영민 박사팀은 수소-불소 플라즈마 기술을 이용하여 이차원 전이금속 칼코겐화합물의 광발광 효율을 크게 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 이를 가역적*으로 조절할 수 있는 기술을 개발했다. 

*가역적 : 역과정이 순과정과 완전히 동일하게 일어나는 과정 

전이금속 칼코겐 화합물은 약하게 결합된 층상구조를 가지고 있어 그래핀과 유사하게 단일층으로 쉽게 분리될 수 있다. 이렇게 만들어진 이차원 전이금속 칼코겐화합물은 그래핀과 달리 반도체 특성을 가지고 있어 차세대 이차원 물질로 많은 연구가 이루어지고 있으나 낮은 광발광 효율로 인해 전자 및 광학 소자 개발에 어려움을 겪어왔다. 또한 이차원 전이금속 칼코겐화합물 반도체에서 광발광 효율은 엑시톤*의 발광과 관련이 있어 이를 가역적으로 조절할 수 있는 기술이 중요하나 지금까지는 이를 위하여 복잡한 구조의 전자 소자의 제작이 요구되어 왔다.

*엑시톤(Exciton) : 전자(電子)와 양공(陽孔)이 정전기력으로 결합하여 형성된 준입자

전영민 박사팀이 개발한 플라즈마 도핑 기술은 적은 양의 처리로도 이차원 전이금속 칼코겐화합물 반도체의 광발광 효율을 대폭 향상시킬 수 있을 뿐 아니라 복잡한 공정 없이도 쉽게 광발광 효율을 가역적으로 조절할 수 있다. 이는 상기 물질에서 광발광 효율이 전자 농도에 의존하여 변화하고 불소 원소가 높은 전기음성도*와 흡착 에너지를 가지고 있음에도 개발된 플라즈마 기술로 인하여 탈착 현상이 안정적으로 정밀하게 일어날 수 있기 때문이다.

*전기음성도 : 분자나 원자가 외부의 전자를 끌어 잡아당기는 힘의 정도

또한 연구팀은 새롭게 개발된 기술을 이용하면 이차원 물질의 전자 상태를 크게 바꿀 수 있기에 기존 이차원 텅스텐 칼코겐화물 반도체에서는 감지가 안 되었던 암모니아 가스를 고감도로 감지할 수 있다는 사실도 증명하였다. 이러한 센서의 응용은 기존에 감지가 되지 않았던 다른 n-형 가스*에도 적용할 수 있다.

*n-형 가스 : 전자를 주는 성질을 지닌 가스

KIST 전영민 박사는 “본 연구에서 개발된 기술은 차세대 스핀-편광 광발광 다이오드, 고감도 가스 센서 등의 새로운 광전 소자 개발에 중요한 기여를 할 것으로 생각하며 향후 전이금속 칼코겐화합물 외의 다른 이차원 물질들에도 다양한 형태의 적용이 가능하다”라고 밝혔다.

본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 지원으로 KIST 기관고유 미래원천기술개발사업과 글로벌 프론티어사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료과학 분야의 세계적 권위 학술지인 ‘Advanced Functional Materials’ 11월 8일자(Vol.26, No.42) 전면 표지논문(Front Cover)으로 선정되어 게재되었다.