천진우 교수팀, 꿈의 미래소재인 2차원 단일층 나노물질 상온 생산 성공

극한 기술인 1 나노미터 급 초박막 나노물질 생산기술

바이오센서, 플렉서블 디스플레이, LED, 배터리 산업 혁신기술

우리 대학교 화학과 천진우 교수팀이 바이오센서, 플렉서블 디스플레이, 발광 다이오드(LED), 배터리 산업의 기술 혁신에 쓰일 수 있는 꿈의 소재인 2차원 단일층 나노물질을 쉽고 간단하게 생산할 수 있는 기술을 개발했다.

이번에 개발한 ‘탠덤 분자 박피 방법(Tandem molecular intercalation, 이하 TMI)’은 전 세계적으로 새롭게 각광받는 2차원 단일층(single-layer) 금속칼코겐 물질(metal chalcogenide)을 생산하는 기술이다.

2차원 금속칼코겐 물질(*)은 단일층으로 얻어졌을 때 반도체적 물성을 갖는다. 이 때문에 그래핀의 한계를 극복할 수 있는 새로운 소재로 알려져 있으며, 다양한 첨단산업에 응용할 수 있다(그림 1). 따라서 양질의 1 나노미터 두께를 가지는 단일층 생산기술의 확보가 매우 중요하나, 현재까지 개발된 기계적 박피(**)기술, 화학증착기술, 초음파용액방법은 대량생산에 한계가 있었다. 복잡한 기계장치를 사용하거나, 혹독한 생산 공정을 사용하기 때문에 양질의 단일층 물질의 생산이 어렵기 때문이었다.

세계적 학술지 ‘Nature Communications’지 1월 9일자에 게재

천진우 교수팀이 개발한 TMI 공정에서는 여러 층으로 이루어진 2차원 물질과 다른 크기의 두 가지 분자(tandem molecule)를 용액에서 서로 섞어준다. 이때 크기가 작은 분자가 먼저 삽입되어 층간 거리를 넓힌 후 큰 분자가 삽입되면서 자연스럽게 층상물질이 박피(exfoliation)되어 단일층 2차원 물질을 얻어낸다(그림 2).

이 방법은 특수한 장치 없이 상온에서 고품질의 다양한 단일층 2차원 물질을 대량생산하는 획기적 공정 기술이다. 기존 단일층 나노물질 생산의 한계를 극복했다(그림 3, 4). 특히 TMI 공정은 원리적으로 모든 2차원 층상물질에 적용이 가능하고, 용액에서 얻어지기 때문에 원하는 용도에 맞추어 반도체, 에너지 및 바이오산업 등에 적용이 용이하다.

연구재단 창의연구사업지원으로 이뤄진 본 연구의 결과는 세계적 학술 잡지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’지 1월 9일자에 게재되었고, 현재 특허출원 중이다.