기계공학부 이창구 교수, IBS 이차원 양자 헤테로구조체 연구단 원규연 박사 연구팀이 울산과학기술원 이종훈 교수와 함께 결정성이 거의 없는 2차원소재의 물성을 광학적방법으로 편리하게 평가하는 획기적인 방법을 개발하였다. 2004년 최초로 발견되어 발견자에게 노벨상까지 수여된 그래핀으로 대표되는 2차원소재는 원자들이 일정한 격자성을 가진 결정성의 형태로 발견되었고 활발히 연구되었다. 이는 결함이 없이 결정성이 좋을수록 기계적강도, 전기전도성, 열전도성 등의 물성이 더 낫기 때문이다. 이같은 이유로 그래핀 이후로도 보론나이트라이드, 이황화몰리브덴 등 다양한 2차원 소재들이 발견되고 연구되어 왔지만, 비결정성의 2차원소재는 거의 연구된 바가 없다.

하지만, 최근 그래핀의 비결정 버전인 2차원탄소소재가 합성되어 기초연구가 본격적으로 진행되기 시작했다. 2차원 비결정성은 본래 그 물질을 사용하고자 하는 측면에서의 물성은 결정성 소재에 비해서 극히 떨어지는 특성이 있지만, 전혀 예측하지 못했던 새로운 물성이 발견될 뿐만 아니라, 기존의 3차원 비결정성 소재의 구조적 문제를 알아낼 수 있는 결정적 단서를 제공하여 다양한 쓰임새가 있을 것으로 예측하고 있다. 예를 들어, 기존의 반도체 공정에서 절연체로 사용된 산화실리콘 등은 메모리나 CPU회로의 미세화가 가속될수록 고속작동 시 소자간 간섭이 심해져 물리적으로 더 이상 사용이 어려운 한계에 직면하게 되었다. 하지만, 비결정성 소재는 낮은 유전율로 인해 간섭이 획기적으로 줄고 기계적으로 안정하다는 것이 증명되어 차세대 반도체 공정에 적용될 것이 유력시되고 있다. 하지만, 비결정성 소재의 제조공정에 따라 유전율과 물리적 특성이 변화하는 특성으로 인해 상업적 생산적용에 어려움을 겪고 있다. 이러한 특성을 제대로 알아내기 위해서는 투과전자현미경과 같은 고가의 장비에 높은 수준의 분석기술이 필요해 연구개발이 더딜 수 밖에 없다.

이창구 교수 연구팀은 2차원 비결정성 소재 중 하나인 2차원탄소소재의 격자구조와 특성을 광학적 방식으로 손쉽게 분석할 수 있는 방법을 개발하였다. 기존에는 2차원 비결정성 탄소소재를 구리호일 등의 금속성 기판위에 합성하였으나, 분광법을 사용하면 금속기판에서 나오는 노이즈로 인해 실질적인 분석이 불가능하거나, 비금속성 기판으로 전사하여 분광법을 실시하면 오염물질로 인해 정밀한 분석을 하기가 어려웠다. 따라서 값비싼 투과전자현미경 위주로만 분석함으로 인해 이러한 소재연구에 대한 장벽이 아주 높은 편이었다. 이교수 연구팀은 비금속 기판에 2차원탄소소재를 합성하는 방법을 개발함으로써 이 문제를 해결하였고, 더불어 라만/엑스레이 분광 분석법을 투과전자현미경 분석법과 비교분석함으로써 라만분광법과 같은 싸고 손쉬운 방법으로도 그 특성을 파악할 수 있음을 규명하였다. 라만분광법은 소재관련 연구자들은 쉽게 접할 수 있으며 분석가격 또한 1/10-1/100 정도로 저렴해 누구나 사용할 수 있어 2차원 비결정소재의 연구에 대한 장벽을 획기적으로 낮춘 것으로 평가할 수 있다.

향후 이 분석법은 2차원소재 기반 메모리, 연산, 인공지능 소자 등에 적용이 가능할 것으로 기대되고 있다. 실리콘의 미세화공정이 한계에 이르는 2030년 경에는 본격적으로 실리콘을 대체할 것으로 예상되는 2차원소재기반 반도체 산업에 중요한 분석기법으로 사용될 수 있을 것으로 보인다.

저자: 원규연(제1저자), 정의훈(공동 제1저자), 윤종찬(공동 제1저자), 전도현, 홍진환, 유형구, 방예지, Pawan Kumar Srivastava, Budhi Singh, 이종훈(공동 교신저자), 이창구(교신저자)

논문제목: Spectroscopic signatures of ultra-thin amorphous carbon with the tuned disorder directly grown on a dielectric substrate (Advanced Materials; IF=27.4, December 2024)