▲ 불소화된 이차원 텅스텐 칼코겐화물 반도체의 암모니아 가스 검지 성능.

국내 연구진이 광발광 효율을 대폭 향상시킬 수 있고 다양한 가스의 감지가 가능한 이차원 전이금속 칼코겐 화합물 반도체 제조 기술을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 전영민 센서시스템연구센터 박사팀이 수소-불소 플라즈마 기술을 이용해 이차원 전이금속 칼코겐화합물의 광발광 효율을 크게 향상시켜 이를통해 역과정과 순과정이 동일하게 일어나게 하는 기술을 개발했다고 5일 밝혔다.

전이금속 칼코겐 화합물은 약하게 결합된 층상구조를 가지고 있어 그래핀과 유사하게 단일층으로 쉽게 분리될 수 있다.

이렇게 만들어진 이차원 전이금속 칼코겐화합물은 그래핀과 달리 반도체 특성을 가진다는 장점으로 차세대 이차원 물질로 많은 연구가 이루어지고 있으나 낮은 광발광 효율로 인해 전자 및 광학 소자 개발에 어려움을 겪어왔다.

또한 이차원 전이금속 칼코겐화합물 반도체에서 광발광 효율은 엑시톤의 발광과 관련이 있어 이를 역과정과 순과정이 동일하게 일어나게 하는 기술인 가역적 조절이 중요하나 지금까지는 이를 위해 복잡한 구조의 전자 소자의 제작이 요구됐다.

이에 전영민 박사팀은 플라즈마 도핑 기술을 개발해 적은 양의 처리로도 이차원 전이금속 칼코겐화합물 반도체의 광발광 효율을 대폭 향상시킬 수 있을 뿐 아니라 복잡한 공정 없이도 쉽게 광발광 효율을 가역적으로 조절할 수 있게 했다.

이는 상기 물질에서 광발광 효율이 전자 농도에 의존해 변화하고 불소 원소가 높은 전기음성도와 흡착 에너지를 가지고 있음에도 개발된 플라즈마 기술로 인하여 탈착 현상이 안정적으로 정밀하게 일어날 수 있기 때문이다.

또한 연구팀은 새롭게 개발된 기술을 이용해 이차원 물질의 전자 상태를 크게 바꿀 수 있기에 기존 이차원 텅스텐 칼코겐화물 반도체에서는 감지가 안 되었던 암모니아 가스를 고감도로 감지할 수 있다는 사실도 증명했다. 이러한 센서의 응용은 기존에 감지가 되지 않았던 전자를 주는 성질의 가스인 n-형 가스에도 적용할 수 있다.

KIST 전영민 박사는 “본 연구에서 개발된 기술은 차세대 스핀-편광 광발광 다이오드, 고감도 가스 센서 등의 새로운 광전 소자 개발에 중요한 기여를 할 것으로 생각하며 향후 전이금속 칼코겐화합물 외의 다른 이차원 물질들에도 다양한 형태의 적용이 가능하다”고 밝혔다.

한편, 본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 지원으로 KIST 기관고유 미래원천기술개발사업과 글로벌 프론티어사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료과학 분야의 세계적 권위 학술지인 ‘Advanced Functional Materials’ 11월 8일자 전면 표지논문으로 선정돼 게재됐다.