국내 연구진이 2차원 전이금속계 반도체 소재로 만든 초고감도 센서를 개발해 안전한 환경 구축에 도움을 줄 것으로 보인다.

재료연구소(소장 김해두) 표면기술연구본부 조병진, 함명관 박사팀은 매우 얇은 원자층 두께(나노미터 : 10억분의 1미터)를 가진 2차원 전이금속계 반도체 소재의 가스 감지 메커니즘을 새로운 분석법인 in-situ PL분광법을 통해 최초 규명했다. 이를 기반으로 유독 가스와 빛을 감지할 수 있는 초고감도 듀얼 기능 센서 개발에도 성공했다.

향후 안전한 환경 구축하기 위한 모니터링용 센서 소재로의 전망이 매우 밝으며 차세대 플렉서블 혹은 웨어러블 기기에도 사용할 수 있어 파급효과가 클 것으로 보인다.

기존 가정이나 산업현장에서 사용되는 화재경보기 용 유독 가스 감지 센서는 수십 마이크론(1㎜의 1000분의 1)두께의 3차원 벌크 소재로 구성되어 있다.

연구팀은 벌크 소재의 가스 감지 메커니즘은 이미 규명되었으나 2차원 반도체 소재는 규명되지 않았다는 점에 착안해 연구를 진행했다.

이에 연구팀은 빛을 이용해 소재의 전자적 특성을 파악하는 PL 분광법에 추가로 이산화질소와 암모니아와 같은 가스를 흘려보내는 새로운 방식으로 2차원 전이금속계 반도체 소재와 가스 사이의 전하 이동 과정을 직접적으로 확인해 가스 감지 메커니즘을 정확히 분석했다.

규명된 메커니즘을 토대로 미세한 가스와 빛 두 가지를 동시에 감지할 수 있는 초고감도 듀얼센서 개발에도 성공했다.

연구팀은 원자 단위에서 소재를 합성해 나노미터 정도의 매우 얇은 박막소재를 제조할 수 있는 화학기상증착법을 사용했다. 완성된 2차원 전이금속계 반도체 소재는 금속배선 공정을 통해 최종 센서소자로 제작되었다.

연구팀이 개발한 센서는 품질도 좋고 최대 2인치 정도 크기의 대면적 기판으로 제조될 수 있을 뿐만 아니라, 하나의 센서가 두 가지 이상의 신호를 감지해 공정비용 절감에도 크게 기여할 것으로 기대된다.

2차원 전이금속계 반도체 소재의 두께는 수 나노미터라면 3차원 벌크 소재는 수십 마이크로미터 두께로 크게 차이가 난다. 이렇게 2차원 전이 금속계 반도체 소재는 3차원 벌크 소재보다 더 얇고 투명하게 제조가 가능해 향후 가스나 빛 감지하는 센서를 휴대폰이라 웨어러블 기기에도 활용할 수 있다.

연구를 주도한 조병진 박사는 “그래핀 소재의 물성 한계를 극복하기 위해 전 세계적으로 새로운 2차원 반도체소재에 대한 관심이 폭발하고 있는 가운데 2차원 전이금속계 반도체 소재에서의 가스 감지 메커니즘을 분광법을 이용해 최초로 규명하였다는데 학술적 의의가 있다”며 “개발된 기술들은 고성능 2차원 센서 소재를 제조할 수 있는 원천기술로 차세대 웨어러블 전자기기에 사용되는 센서노드 관련 기술 개발에도 응용될 것”이라고 말했다.

한편, 이번 연구 성과는 네이처의 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’와 미국화학회에서 발행되는 ‘응용재료 및 계면(ACS Applied Materials & Interfaces)’저널에 연속으로 소개됐다.