▲ 황 공극이 조절된 MoS2 합성 방법 모식도. (a) 두 종류의 액상 전구체 혼합해 황 공극이 조절된 MoS2 전구체를 합성함. (b) 액상 전구체 비율 조절을 통한 MoS2 격자 내 in-situ(실시간) 황 공극 조절. 그림 1a에서 확인 가능 하듯이 액상기반 합성법을 활용하여 MoS2 전구체를 제조함. 몰리브덴(Mo) 금속에 꼬리처림 달린 리간드(ligand)를 순차적으로 바꾸는 방식을 썼다. 그림 1b는 액상 원료 비율 조절을 통해서 황 공극결함 농도가 조절된 MoS2를 합성할 수 있다는 것을 나타냄. 황이 포함된 원료의 비율이 낮을수록 황 공극결함 농도가 높아짐   © 특허뉴스

이황화몰리브덴(molybdenum disulfide, MoS2)은 전이금속 화합물로서 차세대 반도체 소재로 각광받고 있다. 하지만, 전이금속 화합물을 전기화학 촉매, 전자소자 등 실생활에 사용되기 위해서는 전이금속 화합물의 물성 제어가 필수적이다.

원자수준의 결함(예, 칼코겐 공극-chalcogen vacancy) 도입을 통해 전이금속 화합물의 전기적·물리적 물성 제어가 가능하다는 것이 밝혀진 이후로, 수소 열처리(hydrogen annealing), 플라즈마(plasma) 처리 등 다양한 후처리 공정들이 전이금속 화합물에 원자수준 결함을 도입하기 위해 제안되어왔다. 그러나, 이러한 후처리 방법들은 정밀한 원자수준 결함 제어가 어렵고, 대면적으로 균일한 결함 도입 역시 불가능하다는 한계가 있다.

이러한 시기, 전이금속 화합물을 합성하는 과정에서 내부 구조에 인위적인 ‘원자 구멍’(공극결함, vacancy)을 만들어 전기적·물리적 특성을 제어하는 새로운 기술이 나왔다. 이 기술은 화합물 합성에 투입하는 액체 원료 비율을 조정함으로써 합성 과정 중에서 공극결함을 만드는 방식이다. 기존 방식과 달리 단번에 공극결함이 균일하게 분포된 전이금속 화합물을 상용화 가능한 큰 크기로 만들 수 있어 주목을 받고 있다.

UNIST 박혜성·김진영·곽상규 교수팀은 이황화몰리브덴(MoS2) 구조 내부에 공극결함(황 원자의 빈자리)을 균일하게 ‘도핑’(doping)하는 기술을 개발했다. 이황화몰리브덴은 차세대 반도체·촉매 재료로 꼽히는 2차원 전이금속 화합물의 한 종류다.

연구진은 액체 원료를 사용해 도핑 농도를 쉽게 조절하고, 공극결함의 분포가 불균일하다는 기존의 문제를 해결했다. 또 이 방식은 물질 합성 과정과 도핑 과정이 동시에 일어나 공정단계 단축을 통한 생산비용 절감이 가능하다.

기존의 공극결함 도핑 방식은 고체 전구체를 이용해 전이금속 화합물을 먼저 합성한 뒤 여기에 다시 600도(℃)이상의 고온 열처리나 플라즈마 처리 같은 후처리 공정 거쳐 원자를 ‘뜯어내는’ 방식이다. 이 방식은 공정 단계가 복잡하고 합성 면적이 넓어질수록 공극결함 분포가 불균일해진다.

연구진은 몰리브덴(Mo)과 황(S) 원소가 각각 포함된 두 종류의 액상 전구체의 비율을 조절해 공극결함이 균일하게 도핑된 대면적 이황화몰리브덴을 얻었다. 황 원소가 포함된 액상 전구체 비율이 낮으면 이황화몰리브덴 합성 과정에서 내부의 황 성분이 부족해져 저절로 황 원자 자리가 비는 공극결함이 생긴다.

전구체에 포함된 액체 성분은 저온 가열을 통해 쉽게 제거할 수 있다. 또 액상 전구체를 기판 위에 올린 뒤 기판을 빠르게 회전시켜 균일하게 도포하기 때문에 큰 면적으로 합성해도 공극 결함 분포가 균일하다.

새로 개발된 합성법을 이용해 만들어진 이황화몰리브덴을 물에서 수소를 얻는 화학 반응 촉매를 썼을 경우, 공극 결함이 전하 이동 등을 촉진해 수소 생산 성능이 우수했다.

▲ (좌측) 이정현 연구원과 박혜성 교수(우측)  © 특허뉴스

제1저자인 이정현 신소재공학과 박사과정 연구원은 “이번에 개발된 합성법은 이황화몰리브덴 외에도 다양한 전이금속 화합물의 물성 조절에 쓰일 수 있다”고 설명했다.

UNIST 신소재공학과 박혜성 교수는 “본 연구를 통해 개발된 전이금속 화합물 합성법은 대면적 합성과 물성 제어가 동시에 가능해 전기화학촉매 개발 분야뿐만 아니라 트랜지스터, CMOS(씨모스)와 같은 다양한 반도체 소자 재료 개발에도 적용 가능할 것”이라고 기대했다.

이번 연구는 나노·재료 분야의 권위 학술지인 ‘ACS Nano’에 12월 7일자로 온라인 선공개 됐으며 출판을 앞두고 있다.

논문명은 Defect-Induced in Situ Atomic Doping in Transition Metal Dichalcogenides via Liquid-Phase Synthesis toward Efficient Electrochemical Activity 이다.