차세대 반도체 촉매 '이황화몰리브덴' 합성법 개발...전이금속 화합물 상용화 기여

NIST 연구진, 물질 합성·공극결함 ‘도핑’ 동시 가능한 기술 개발
액상 원료 이용해 2차원 소재 대면적 합성·촉매로써 우수한 성능
나노·재료 분야의 권위 학술지 ACS Nano 게재

황 공극이 조절된 MoS2 합성 방법 모식도. (a) 두 종류의 액상 전구체 혼합해 황 공극이 조절된 MoS2 전구체를 합성함. (b) 액상 전구체 비율 조절을 통한 MoS2 격자 내 in-situ(실시간) 황 공극 조절. /UNIST 제공

국내 연구진이 물질의 합성과 공극결함 '도핑'이 동시에 가능한 기술을 개발했다.

전이금속 화합물로 차세대 반도체 소재로 각광받고 있는 '이황화몰리브덴' 등을 전기화학 촉매나 전자소자로 실생활에 사용하기 위해서는 전이금속 화합물의 물성 제어가 필수적이다.

수소 열처리나 플라즈마 처리 등 다양한 후처리 공정들이 전이금속 화합물에 원자수준 결함을 도입하기 위해 제안되어 왔으나 후처리 방법들은 정밀한 원자수준 결함 제어가 어렵고 대면적으로 균일한 결함 도입 역시 불가능하다는 한계가 있어왔다.

울산과학기술원(UNIST) 연구팀이 전이금속 화합물을 합성하는 과정에서 내부 구조에 인위적인 '원자 구멍'인 공극결함을 만들어 전기적 물리적 특성을 제어하는 새로운 기술을 개발했다.

기존 방식과 달리 단번에 공극결함이 균일하게 분포된 전이금속 화합물을 상용화 가능한 큰 크기로 만들 수 있어 주목 받고 있다.

박혜성, 김진영, 곽상규 교수 연구팀은 이황화몰리브덴(molybdenum disulfide, MoS2) 구조 내부에 공극결함을 균일하게 도핑하는 기술을 개발했다고 지난 27일 밝혔다.

이황화몰리브덴은 전이금속 화합물 중 하나로 전이금속인 몰리브덴(molybdenum)과 칼코겐 원소인 황(sulfur)이 1:2의 비율로 이루어진 화합물의 일종으로 대표적인 반도체성 2D 물질이다. 반도체 소자, 촉매, 센서 등 다양한 분야에 응용되고 있으며, 도핑이란 어떤 물질이 가진 순수한 전기적, 광학적 및 구조적 특성을 조절하기 위해, 결정 제조 과정 중에 불순물(원소나 화학 물질)을 의도적으로 첨가하는 것을 말한다.

연구진은 액체 원료를 사용해 도핑 농도를 쉽게 조절하고, 공극 결함의 분포가 불균일하다는 기존의 문제를 해결했으며, 이 방식은 물질 합성 과정과 도핑 과정이 동시에 일어나 공정단계 단출을 통한 생산비용 절감이 가능하다고 설명했다.

황 공극 도입된 MoS2 대면적 합성. (a) 대면적 합성된 MoS2의 디지털 이미지 및 (b) 광학현미경 분석을 통한 표면 균일성 확인. /UNIST 제공

기존의 공극결함 도핑 방식은 고체 전구체를 이용해 전이금속 화합물을 먼저 합성한 뒤 여기에 다시 600도(℃)이상의 고온 열처리나 플라즈마 처리 같은 후처리 공정 거쳐 원자를 ‘뜯어내는’ 방식이다. 이 방식은 공정 단계가 복잡하고 합성 면적이 넓어질수록 공극결함 분포가 불균일해진다.

연구진은 몰리브덴(Mo)과 황(S) 원소가 각각 포함된 두 종류의 액상 전구체의 비율을 조절해 공극결함이 균일하게 도핑된 대면적 이황화몰리브덴을 얻었다. 황 원소가 포함된 액상 전구체 비율이 낮으면 이황화몰리브덴 합성 과정에서 내부의 황 성분이 부족해져 저절로 황 원자 자리가 비는 공극결함이 생긴다.

전구체에 포함된 액체 성분은 저온 가열을 통해 쉽게 제거할 수 있고 액상 전구체를 기판 위에 올린 뒤 기판을 빠르게 회전시켜 균일하게 도포하기 때문에 큰 면적으로 합성해도 공극 결함 분포가 균일하다고 한다.

연구진은 새로 개발된 합성법을 이용해 만들어진 이황화몰리브덴을 물에서 수소를 얻는 화학 반응 촉매를 썼을 경우, 공극 결함이 전하 이동 등을 촉진해 수소 생산 성능이 우수했다고 밝혔다.

연구진 사진-곽상규 교수(왼쪽 위), 김진영 교수(왼쪽 아래), 이정현 연구원과 박혜성 교수(오른쪽) /사진=UNIST 제공

UNIST 신소재공학과 박혜성 교수는 “본 연구를 통해 개발된 전이금속 화합물 합성법은 대면적 합성과 물성 제어가 동시에 가능해 전기화학촉매 개발 분야뿐만 아니라 트랜지스터, CMOS(씨모스)와 같은 다양한 반도체 소자 재료 개발에도 적용 가능할 것”이라고 말했다.

연구진이 제시한 방법은 대면적으로 균일한 합성이 가능하기 때문에 전기화학분야 뿐만 아니라 실리콘을 대체할 수 있는 차세대 반도체 소재로서 센서, CMOS, 트랜지스터 등 다양한 전자소자에 적용 가능 할 것으로 기대되고 있다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업 및 기초연구실지원사업의 지원을 통해 이루어졌으며, 나노·재료 분야의 권위 학술지인 ‘ACS Nano’ 에 논문명 'Defect-Induced in Situ Atomic Doping in Transition Metal Dichalcogenides via Liquid-Phase Synthesis toward Efficient Electrochemical Activity'로 12월 7일자 온라인 선공개 됐으며 출판을 앞두고 있다.

포인트경제 김지연 기자