2차원 전이금속 디칼코게나이드(Transition Metal Dichalcogenide, TMD)는 몰리브데넘(Mo), 텅스텐(W) 등의 전이금속 원소와 셀레늄(Se), 황(S) 등의 칼코겐 원소가 MX2 (M=전이금속, X=칼코겐 원소)의 형태를 이루는 새로운 2차원 나노물질이다. 2차원 TMD는 쌓여진 층수에 따라 에너지띠(energy band) 구조가 변화하여 전기적 특성이 달라지는 성질을 나타내며, 이에 따라 다양한 형태의 소자로 활용하기 위한 활발한 연구가 진행되고 있다.
특히, 백금(Pt)과 셀레늄(Se)으로 이뤄진 2차원 PtSe2 물질은 높은 전하 운반자 이동도와 높은 안정성, 그리고 박막 층수에 따라 도체와 반도체 성질을 부여할 수 있어서 다양한 전자 장비로의 활용이 기대되나, 재료의 특성 및 결정 구조에 대한 명확한 이해가 부족하여 활용 면에서의 한계가 존재해왔다.
본 연구는 미국 센트럴 플로리다 대학교(UCF) 재료공학부 정연웅 교수의 주도 하에 서울대 화학부 정연준 교수, 재료공학부 이관형 교수(전 연세대 신소재공학과), 한국기초과학지원연구원(KBSI) 전주센터 정희석 박사간 공동연구로 진행되었다.
센트럴 플로리다 대학교 정연웅 교수 연구팀은 화학 증기 증착법(CVD)을 이용하여 다양한 두께와 형태를 갖는 2차원 PtSe2 물질의 대면적 합성에 성공하였으며 PtSe2 물질이 수평에서 수직구조를 변하는 과정을 관찰하였다. 이러한 구조 변화에 따른 전기 특성 변화에 대한 연구는 서울대 이관형 교수 연구팀의 분광 분석법과 한국기초과학지원연구원의 정희석 박사 연구팀의 투과전자현미경 관측을 통해 이뤄졌다. 한편, 서울대 정연준 교수 연구팀은 밀도 범함수 이론 (Density Functional Theory, DFT) 계산을 통해 2차원 구조가 나타내는 전기적 특성을 분자 수준에서 규명하였다.
또한, 정연웅 교수 연구팀은 저온 합성을 통하여 폴리머인 폴리이미드(polyimide) 기판 위에 PtSe2 2차원 소자를 직접 성장시킴으로써 유연하고 투명한 장비를 제조하는데 성공하였으며, 이 디바이스에 키리가미(Kirigami) 패턴을 적용하여 180% 까지 신축 가능한 전자장비의 제조에 성공함으로써 유연 전자소자 및 웨어러블 디바이스에 대한 적용 가능성을 제시하였다.
본 연구는 세계적인 학술지 ACS Applied Materials & Interfaces에 2019년 3월 11일 출판되었으며, 논문의 우수성과 독창성을 인정받아 속 표지(supplementary cover image)로 선정되었다.
출판 논문 : Horizontal-to-Vertical Transition of 2D Layer Orientation in Low-Temperature Chemical Vapor Deposition-Grown PtSe2 and Its Influences on Electrical Properties and Device Applications, Sang Sub Han et. al. ACS Applied Materials & Interfaces, 2019 DOI: 10.1021/acsami.9b01078 (2019년 3월 11일 온라인 출판)
참여 연구진: 한상섭(서울대 및 UCF), 김종훈(연세대), 노찬우(서울대), 김정한(UCF), 지은지(연세대), 권준영(연세대), 유승민(KBSI), 고태준(UCF), 에마뉴엘 오콕부에(UCF), 오규환(서울대), 정희석*(KBSI), 정연준*(서울대), 이관형*(연세대 및 서울대), 정연웅*(UCF) (*: 교신저자)
연구비 지원: 미국 센트럴 플로리다 대학교 연구 그랜트(정연웅 교수), 한국연구재단 미래소재디스커버리사업, 이공학개인기초사업(이상 정연준 교수), 중견연구자지원사업, 신재생에너지 핵심기술개발사업, SRC 연구센터(이상 이관형 교수), KBSI 전주센터 운영사업(정희석 박사)