▲ 연도별 금속 칼코겐 화합물 관련 특허출원 동향(2007 ~ 2016).

그래핀과 같은 우수한 광학적 투명성, 기계적 유연성을 가지면서 밴드갭이 존재하는 전이금속 칼코겐 화합물등의 출원이 증가하고 있다. 향후 웨어러블 디바이스, 유연디스플레, 인공 전자피부 등과 같은 차세대 유연소자로 크게 주목을 받고 있는 것으로 나타났다.

특허청에 따르면, 최근 5년간(2012~2016) 전이금속 칼코겐 화합물 관련 출원 건수는 총 214건으로, 이전 5년간(2007~2011) 합계 55건에 비하여 약 4배 급증했으며, 해마다 출원건수가 크게 증가하고 있다고 밝혔다.

전이금속 칼코겐 화합물은 그래핀과 유사한 2차원 층상구조의 물질로 유연하고 투명한 특성과 그래핀에는 없는 1~2 eV대의 밴드갭이 있어 반도체 소자로 적합한 소재로 주목 받고 있다. 대표적인 물질은 MoS₂, WSe₂ 등이 있다.

밴드갭이 없는 그래핀에 밴드갭을 형성하기 위해 나노리본 형성, 도핑등에 관한 연구가 활발히 진행됐지만, 제한적인 성과로 인한 문제점이 있었다. 논리회로 제작이 어려운 그래핀의 단점을 전이금속 칼코겐 화합물이 보완하게 된 것이다.

또한 특허출원 현황(12~16년)을 살펴보면, 대부분이 내국인의 특허 출원인 것으로 나타났으며(187건, 87.4%), 외국인(27건, 12.6%)은 미국(10), 유럽(9), 대만(5), 일본(3) 순으로 조사됐다.

특허청 관계자는 반도체 강국인 우리나라가 그래핀에 이어 금속 칼코겐 화합물을 이용한 포토센서, 쏠라셀 등 광소자 분야 연구개발에도 적극 나서고 있기 때문으로 분석된다고 밝혔다.

출원인은 삼성전자(23건, 10.7%)가 가장 많고, 경희대(21건, 9.8%), 연세대(18건, 8.4%), 에스케이하이닉스(16건, 7.5%), 성균관대(11건, 5.1%) 등이 뒤를 잇고 있다.

제조기술별 출원동향을 살펴보면, 그래핀과 구조가 같은 이점으로 그래핀을 합성하는 방법이 그대로 사용되어 고품질·대면적 합성을 위해 화학기상 증착법(39.7%)을 주로 사용하는 것으로 나타났다.

이는 기계적 박리법에 비하여 비용이 저렴하고 제어가 가능하여 대량 생산이 가능하기 때문이다.

최근에는 그래핀이 가지는 우수한 성질을 금속 칼코겐 화합물에 결합하는 기술 등, 상호 장점을 융합하여 새로운 미래 소자를 개발하려는 시도가 크게 증가하고 있다.

특허청 반용병 정밀화학심사과장은 “원자층 단위의 두께를 지닌 반도체 소재인 전이금속 칼코겐 화합물은 기존 전자소자뿐만 아니라 우수한 투명성, 기계적 유연성을 지니고 있어 웨어러블 디바이스, 유연 디스플레이, 인공 전자 피부와 같은 차세대 전자소자로서의 활용성이 높다”며, 4차 산업에 대비한 미래 신소재로서 지속적인 투자와 연구개발이 필요하다고 밝혔다.