포스텍 연구팀이 차세대 신소재로 주목받는 2차원 물질의 물리적인 성질을 제어하는 기본 원리가 산화·환원 반응에 의한 것임을 밝혀냈다.

포스텍 화학과 류순민 교수, 통합과정 박광희·강하늘씨 연구팀은 대기 중 2차원 물질의 원자에 외부 전하가 유입되는 도핑현상이 물과 산소의 산화·환원에 의한 전기화학적 반응에 의한 것임을 규명했다.

연구팀은 실시간 형광 이미징을 이용해 대기 속 산소와 물 분자가 매개하는 전기화학적 산화·환원 반응을 관찰했다.

이 방법에 따르면 2차원 물질의 물리적 성질을 제어해 휘어지는 영상소자, 초고속 트랜지스터, 차세대 배터리, 초경량 소재 등 2차원 반도체 응용성을 한 차원 높일 것으로 기대된다.

그래핀과 이황화텅스텐과 같은 2차원 물질은 원자 몇 개에 해당하는 나노미터(nm,10억 분의 1m) 단위의 두께다.

얇고 잘 휘어지면서 단단한 특성 때문에 반도체나 디스플레이, 태양전지 등에 적용할 수 있어 꿈의 소재라 불린다.

하지만 기온, 습도 등 주변 환경에 따라 쉽게 변조되거나 변형이 되는 한계를 갖고 있다.

그 동안 이런 변형 현상에 대한 비밀이 명확히 풀리지 않아 상용화에 어려움을 겪고 있다.

연구팀은 이황화텅스텐의 실시간 '광발광 이미징' 방법과 그래핀의 '라만 분광법'을 이용, 2차원 물질과 친수성 기판 사이에 nm 규모의 높이를 가지는 공간에서 산소 분자가 확산하는 것을 확인했다.

또 염산과 같은 산성 용액에서 일어나는 전하 도핑현상 역시 같은 원리로 용존 산소량과 수소 이온 농도(pH)를 이용해 제어되는 것을 증명했다.

이 연구를 통해 밝혀진 사실은 2차원 물질이나 다른 저차원 소재의 전기적·자기적·광학적 성질을 제어하는데 필수적인 기초 원리다.

이 이론은 2차원 물질이 주변 환경에 의해 변형되는 것을 막는데 필요한 전처리와 플렉서블, 스트레쳐블 디스플레이를 위한 박막봉지(Encapsulation) 같은 후처리 기술 개발에도 활용될 수 있다.

류순민 교수는 "실시간 형광 이미징을 이용해 대기 속 산소와 물 분자가 매개하는 전기화학적 산화환원반응이 핵심이라는 사실을 밝혀냈다"며 "이 반응은 2차원 소재 뿐 아니라 양자점, 나노선과 같은 물질에도 적용되기 때문에 저차원 물질에 기반한 나노과학기술 발전에 중요한 디딤돌이 될 것"으로 내다봤다.

한편 이 연구성과는 최근 과학저널인 '네이처 커뮤니케이션즈(Naturecommunications)'에 게재됐다.

◇용어설명

△광발광 이미징=레이저 광과 같은 강력한 단색의 여기광을 대물렌즈 관측 시야에 한 번에 조사해 대면적의 형광 세기 이미지를 얻는 방법.

△라만 분광법=레이저 광과 같은 강력한 단색의 여기광을 쬐었을 때 분자의 진동수 만큼의 차이가 있는 산란광이 생기는 현상인 라만 효과에서 분자의 진동수를 구하는 분광법.

적외선 분광법에 비해 공간 분해능이 높고 보다 다양한 시료에 적용되는 장점이 있다.

포항=성민규 기자 smg511@hanmail.net