매우 투명한 고분자 필름 위에 코팅된 2차원 나노시트 필름의 코팅 균일성과 투과성을 관찰하고 있는 모습. 좌측부터 양준재 연구원, 윤선진 책임연구원(과제책임자), 연창봉 연구원

고전압 고용량 양극 소재용 새로운 바인더 소재를 개발해 리튬 이차전지의 에너지밀도를 획기적으로 향상하는 데 성공했다. 이 연구는 송승완 교수(충남대학교),정현민 교수(금오공과대학교) 공동연구팀에 의해 성공 하였다.

국내 연구진이 물에 나트륨(Na)을 넣어 신개념 이차원(2D) 반도체 소재의 나노시트(Nano sheet) 기술 개발에 성공했다. 이로써 향후 이차원 반도체 개발에 새로운 길을 열게 되었다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 나노 두께 극초박막 형태 신물질로 큰 관심을 끌고 있는 이차원(2D) 반도체 나노 시트를 제조하는 핵심기술 개발에 성공했다고 밝혔다.

본 기술은 나노 소재 전문학술지인 스몰(Small) 지에 지난해 말 온라인 게재됐고 올해 2월경 표지논문에 선정, 출판될 예정이다.

흑연에서 얇게 한 층으로 쪼개 낸 그래핀과 같은 소재를 이차원 소재라 부른다. 이번 연구진이 개발에 성공한 나노시트는 이차원 소재 중 반도체에 속하는 소재들이다.

이차원 반도체는 두께가 나노 크기로 매우 얇게 쪼개질 수 있는 특이한 성질을 가지고 있다. 두께가 무시할 만큼 얇다는 의미로 가로, 세로의 이차원 형태만 고려하여 이차원 반도체로 불린다.

향후 연구진은 반도체 소자를 구성하는 반도체 막으로 본 나노시트가 널리 활용될 것으로 예상하고 있다.

특히 이차원 소재의 나노 박막은 유연하고 투명한 특징이 있다. 기존 반도체가 5나노미터(nm) 두께 한계로 집적도 제한이 있었는데 이로부터 자유롭다. 따라서 차세대 전자 소자들에 많이 응용될 것으로 기대된다.

나트륨이온에 의한 2D 나노시트 박리 모식도

나트륨 이온을 이용하여 박리한 2D 반도체 나노시트의 고농도 수분산액들의 사진과 나노시트-폴리비닐알콜 복합체 용액을 플라스틱 기판 위에 코팅한 사진

연구진은 덩어리 형태의 결정석을 이차원 단위로 얇게 쪼개 박리(剝離)하여 나노시트를 제조하는 새로운 기술 개발에 성공했다.

특히, 이차원 반도체의 경우 리튬(Li) 이온과 유기용매를 활용, 고농도 분산액을 얻을 수 있다. 하지만, 유기용매 사용 시 작업자 건강에 유해하고, 환경오염 등 문제가 있다. 더군다나 리튬은 물과 폭발적으로 반응한다.

ETRI는 쉽게 물에 용해되며 가격이 매우 저렴하고 취급이 쉬운 나트륨(Na) 이온을 활용한 나노시트 박리 기술을 최초로 개발하였다.

연구진은 잘 쪼개지는 결정석을 물에 넣어 나트륨(Na)을 첨가, 초음파를 가하여 나노미터(nm) 이하 두께의 한층, 한 층이 쪼개져 나오는 나노시트 기술 개발에 성공한 것이다.

특히 기존 리튬 이온을 이용한 이차원 반도체 박리 나노시트는 표면이 산화되는 등의 변성을 동반하였으나, 본 기술은 전혀 물성의 변화가 일어나지 않았다.

이차원(2D) 소재의 변성이 일어날 경우 완전한 특성 회복이 매우 어려운 점을 고려할 때, 특성 개선을 위한 후속 공정 없이 2D 반도체의 우수한 특성을 잘 활용할 수 있다는 점에서 ETRI 기술이 기존 기술에 비해 매우 유리하다고 할 수 있다.

ETRI는 개발한 나트륨 이온 활용 기술로 박리한 나노 시트가 물 속에 고루 분산되어 떠있는 수분산액(水分散液)을 얻게 되었다고 밝혔다. 본 용액은 매우 안정적이어서 다양한 분야에 유용하게 사용될 수 있다.

아울러, 이차원 반도체 나노시트 수분산액은 물에 쉽게 용해되는 고분자를 혼합하여 나노시트-고분자 복합체를 제조할 수 있다. 연구진은 파우더 형태의 수용성 고분자를 수분산액에 넣어 점성이 높은 액체로 만든 후, 이를 반도체 막의 기판위에 얇게 코팅하여 메모리 소자 용 반도체 층을 만들었다.

이처럼 저가 용액공정으로도 유연한 메모리 소자나 센서 등을 대량 제조할 수 있게 되었다.

연구진은 이차원 반도체인 이황화 텡스텐(WS2), 이황화 몰리브덴(MoS2) 나노시트를 폴리비닐알콜 수용성 고분자와 혼합한 복합체 박막들을 형성, 메모리 소자도 제조했다.

ETRI 연구진은 간단한 메모리 소자 어레이를 제조하여 데이터를 쓰고 반복하여 읽는 과정을 시험하여 안정적인 메모리 동작을 확인하는데 성공했다고 밝혔다. 연구진은 이차원 소재 나노시트가 향후 전기차의 고용량 축전지, 이차전지, 유연하고 투명한 전자기기 등에 활용될 것으로 보고 있다.

이황화텅스텐-폴리비닐알콜 복합체를 이용한 메모리 소자의 안정적인 동작을 보여주는 결과

이황화텅스텐-폴리비닐알콜 복합체박막 메모리 소자 어레이에 ‘ETRI’를 프로그래밍한 후 읽은 결과를 LED로 디스플레이한 그림

서울경제 파퓰러사이언스 편집부 / 장순관 기자 bob0724@naver.com