국제과학비즈니스벨트 핵심 기관인 기초과학연구원(원장 오세정) 원자제어저차원전자계연구단의 최희철 그룹리더(POSTECH 화학과 교수) 연구진은 금 촉매를 이용해 2차원 차세대 반도체 소재로 각광받고 있는 이황화몰리브덴(MoS2)을 대면적과 원하는 기하학적 형태로 제작할 수 있는 반응법을 개발했다.

금 촉매를 이용해 '2차원 이황화몰리브덴'을 선택적으로 균일하게 합성한 이번 연구는 세계 최초로 2차원 이황화몰리브덴을 원하는 크기와 기하학적 형태로 균일하게 합성하고 이를 반도체 소자로 제작할 수 있음을 규명한 것이다.

최희철 그룹리더 연구진의 이번 연구 결과에 따라 2차원 이황화몰리브덴을 굴절·투명 전자 소자와 같은 차세대 반도체 산업에 적용할 수 있는 길이 열렸다.

또 2차원 이황화몰리브덴은 반도체성 층상 재료(layered material)로서, 그래핀과 구조적으로 유사하나 전도체인 그래핀과는 달리 반도체성을 지녀 태양전지, 저전력 트랜지스터, 플렉시블 디스플레이, 투명 전자소자 등 다양한 분야의 활용이 기대된다.

연구진은 기존의 단순 증착과는 달리, 금과의 표면합금 형성이라는 새로운 방법을 개발했다. 금 표면 위에 몰리브덴이 포함된 화합물을 주입하면 몰리브덴 원자가 분리돼 금과 섞여 이른바 표면합금(surface alloy)이라 불리는 원자 수준으로 얇고 균일한 합금이 생기는데, 여기에 황화수소를 차례로 주입하면 그 중 몰리브덴만 선택적으로 반응해 원자 수준으로 얇은 2차원 이황화몰리브덴 합성·분리에 성공했다.

이는 금 위에서만 선택적으로 일어나는 반응이므로 금 박막을 원하는 기하학적 형태로 증착하면 그에 맞추어 이황화몰리브덴 또한 그 크기와 형태를 지니고서 성장함을 규명한 것이다. 최희철 부단장은 "이번 연구 결과로 표면합금이라는 새로운 방법을 통해 기존의 성장방법이 이루지 못 했던 패턴화 성장을 처음으로 이뤘으며, 이는 기존 실리콘 기반 반도체를 대체할 차세대 원천 소재의 합성방법을 개발하였다는 점에서 중요한 의미를 지닌다"고 말했다.

이번 연구성과는 14일 화학 분야의 권위 학술지인 「안게반테 케미(Angewande Chemie)」 온라인에 1월호 표지 논문(Inside Back Cover)으로 게재됐다.