미래 나노 전자기기의 기반 기술이 될 것으로 기대

매우 얇은 반도체를 합성하는 새로운 방법이 나왔다. 액체 방울이 지나는 길을 따라 원자 한 층 두께로 얇은 나노 리본이 만들어지는 신기한 기술이다. 미래 나노 전자기기의 기반 기술이 될 것으로 주목받고 있다.

UNIST 펑 딩(Feng Ding) 신소재공학부(School of Materials Science and Engineering) 특훈교수와 웬 자오(Wen Zhao) 박사가 포함된 국제 공동 연구진은 화학기상증착법(Chemical Vaper Deposition, CVD) 중 ‘기상-액상-고상(Vaper-Liquid-Solid, VLS) 합성법’을 이용해 원자 한 층 두께의 이황화몰리브덴(MoS) 리본을 만들었다.

CVD는 기체(vaper)를 가열된 기판 위에 뿜어 화학반응을 일으키게 함으로써 박막의 반응물(solid)을 만드는 공정이다. 반도체나 금속박막, 유기박막 등의 재료를 만들 때 주로 CVD가 쓰인다.

웬 자오 박사는 “CVD로 물질을 만들면 주로 육각형이나 삼각형의 결정구조를 가지는 물질이 만들어지게 된다”며 “원자 한 층 두께를 가지면서 나노 리본 형태의 물질을 성장시키는 새로운 방법은 놀라운 발견”이라고 말했다.

이번 연구에서 쓰인 VLS는 CVD의 일종이다. 기체를 기판 위에 뿜어 고체로 성장시키는 과정에 액체(Liquid)가 개입한다는 점이 일반적으로 알려진 CVD와 다르다. 기판이 아닌 액체 윗부분으로 기체 속 물질들이 쌓이면서 반응물이 성장하기 때문에 세로로 길쭉한 나노 구조를 얻을 수 있다.

자오 박사는 “VLS 기법은 액체는 고체보다 기체 속 원자들을 잘 잡아당길 수 있다는 점을 이용한다”며 “액체 방울 위로 반응물이 쌓이기 때무에 주로 수직으로 길쭉한 원통형이나 관 모양의 반응물이 형성됐다”고 설명했다.

그런데 이번에는 VLS를 사용해 ‘가로’로 이황화몰리브덴 박막을 성장시켰다. 기존에는 보고되지 않았던 독특한 성장 메커니즘이다.

연구진은 액체 방울이 삼산화몰리브덴(MoO₃)과 염화나트륨(NaCl)을 반응시켜 용융된 나트륨-몰리브덴-산소(Na-Mo-O) 방울을 만들고, 여기에 황(S)을 더했다. 그 결과 이황화몰리브덴(MoS)이 나노 리본 모양으로 자랐다.

독특한 반응의 비밀을 풀기 위해, 펑 딩 교수팀은 분자 동역학(Molecular dynamic, MD) 시뮬레이션으로 원자 수준에서 VLS 성장 메커니즘을 관측했다. 그 결과 몰리브덴(Mo)과 황(S)이 액체 방울의 표면에 침전됐다가 먼저 반응해 만들어진 이황화몰리브덴(MoS₂)에 달라붙는 장면을 확인했다. 이 과정들이 반복되는 동안 액체 방울이 수평으로 이동하므로, 이황화몰리브덴의 전체적인 모습이 나노 리본 형태를 띠게 되는 것이다.

펑 딩 교수는 “이 모습은 마치 잉크 방울이 종이 위에 색깔을 칠하는 것과 유사하게 느껴진다”며 “액체 방울이 먼저 지나가면서 이황화몰리브덴이 합성되는 질서를 부여해 나노 리본 모양을 만들게 되는 것”이라고 전했다.

딩 교수는 이어 “이번 연구로 나노 물질이 성장하는 표면과 어떤 상호작용을 하는지에 대한 질문을 던지는 계기가 됐다”며 “앞으로 2차원 물질의 성장을 제어하거나 합성하는 등의 기초 연구에 기여하게 될 것”이라고 밝혔다.

연구진은 이번에 밝혀진 성장 메커니즘이 다른 물질에도 적용될 것으로 예상하고 있다. 이 기술을 추가로 연구하면 나노 리본을 더 효과적으로 생성하거나, 1차원 물질과 2차원 물질을 활용한 새로운 나노 구조를 만드는 게 가능해진다.

이번 연구의 교신저자인 싱가포르국립대(NUS)의 고키 에다(Goki Eda) 교수는 “나노 세계에서 복잡한 구조를 가진 물질을 만들고 그 형상을 제어하는 기술은 능력은 나노 기기에서 핵심적”이라며 “나노 물질 합성을 자유자재로 제어하게 되면 나노 전자기기에서 우리가 원하는 성능을 구현할 수 있을 것”이라고 전망했다.

한편 이번 연구는 UNIST와 IBS, 싱가포르국립대, 일본 국립물질재료연구소(NIMS), 일본 산업기술종합연구소(AIST), 중국 심천대(Shenzhen University) 등에서 모인 공동 연구진이 진행했다. 연구결과는 재료 분야의 세계적인 저널, 네이처 머티리얼스(nature Materials) 23일자 온라인 판에 게재됐다.