이차원 소재는 흑연에서 얇게 한 층으로 쪼개 낸 그래핀과 같은 소재를 뜻한다. 이차원 반도체는 나노 크기로 매우 얇게 쪼개지는 특성을 가지고 있다. 원자간 결합이 매우 강하지만 층 간에는 결합력이 약해 한층 한층 쉽게 나뉘는 특징을 갖고 있다. 두께가 무시할 만큼 얇아 가로, 세로 면만 가진다는 의미로 이차원이라고 부른다.
이차원 반도체의 경우 리튬 이온과 유기용매를 활용해 고농도 분산액을 얻을 수 있다. 그러나 유기용매 사용 시 작업자 건강에 좋지 않은 영향을 미치거나 환경오염을 일으킬 수 있는 문제가 있다.
연구진은 잘 쪼개지는 결정석(나노 시트 원재료)을 물에 넣어 나트륨을 첨가했다. 이어 초음파를 가해 나노미터(㎚) 이하 두께로 한 층씩 쪼개져 나오는 나노시트 기술 개발에 성공했다.
연구진은 기존 리튬 이온을 이용한 이차원 반도체 박리 나노시트는 표면이 산화되는 등 변성을 가져왔으나 이번 신기술 전혀 물성 변화가 일어나지 않았다고 설명했다.
연구진은 개발한 나트륨 이온 활용 기술로 박리한 나노시트가 물 속에 고루 분산돼 떠 있는 수분산액(水分散液)도 얻었다. 이 용액은 매우 안정적이어서 다양한 분야에 유용하게 사용할 수 있다.
이차원 반도체 나노시트 수분산액은 물에 쉽게 용해되는 고분자를 혼합해 ‘나노 시트-고분자 복합체’를 제조할 수 있다.
연구진은 파우더 형태의 수용성 고분자를 수분산액에 넣어 점성이 높은 액체로 만든 후 이를 반도체 막 기판 위에 얇게 코팅해 메모리 소자용 반도체층을 만들었다. 이는 저가 용액공정으로도 유연한 메모리 소자나 센서 등을 대량 제조할 수 있다는 뜻이다.
연구진은 “간단한 메모리 소자 어레이를 제조, 데이터를 쓰고 반복해 읽는 과정을 시험해 안정적인 메모리 동작을 확인하는 데 성공했다”며 “앞으로 이차원 소재 나노시트가 전기차의 고용량 축전지, 이차전지, 유연하고 투명한 전자기기 등에 활용될 것”이라고 전망했다.
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