국내 연구진이 2년간의 연구 끝에 온도 변화만으로 반도체와 도체를 자유롭게 넘나들 수 있는 소재를 개발했다.

세계 최초로 개발된 2차원 층상구조 다이텔레륨 몰리브데늄(MoTe2)은 15 ℃의 상온에서는 반도체 상태였다가 500 ℃ 이상의 열을 가한 후 다시 상온으로 온도를 낮추면 도체 상태로 바뀌는 성질을 갖춘 물질이다. 성인 머리카락 굵기의 10만분의 1 수준인 0.8 nm 두께다.

현재까지 반도체 제작을 위해선 반도체와 도체(금속)를 접합해야하는 과정으로 인해 제작공정이 복잡하고 비용이 많이 소요되는 측면이 있었다.

이에 따라 개발된 신물질을 활용해 단일물질만으로 반도체 소자를 만들 수 있게 될 전망이다. 제작 공정이 크게 단축될 뿐만 아니라, 공정이 단축된 만큼 비용과 시간을 절감할 수 있게 되기 때문이다. 또한, 전기적, 광학적 성질이 뛰어나 투명 디스플레이나 몸에 착용할 수 있는 차세대 전자기기 소재 등 다양한 분야에서 응용이 가능할 것으로 기대를 모으고 있다.



다이텔레륨 몰리브데늄(MoTe2)은 6족 전이금속칼코젠 화합물 중 하나다. 몰리브덴(Mo)과 텔레륨(Te)의 합성으로 만들어졌다.

층상구조 전이금속다이칼코젠 화합물의 특징은 차세대 2차원 소자 응용 기술에 관련해 전도유망한 가능성을 가지고 있다는 것이다. 특히 주기율표 6족에 해당하는 Mo, W(전이금속)와 S, Se, Te(칼코젠) 조합으로 만들어지는 화합물은 반도체, 도체 물성을 모두 가질 수 있다. 기존 연구는 상온에서 안정적으로 존재할 수 있는 반도체 특성에만 집중해왔다.

본 연구에선 상온에서 안정적으로 존재할 수 있는 MoTe2를 보고하며, 반도체-도체의 가역적 상전이를 MoTe2 단결정 수준에서 보여준다.
상용화를 위해선 실리콘 반도체 웨이퍼처럼 넓게 제작하거나, 표면에 얇은 막을 입히는 등 표면가공 기술에 대한 후속 연구가 과제로 남아있는 상황이다.

이번 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 산하 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철)의 나노구조물리연구단(단장 이영희) 연구팀과 성균관대학교, 한국과학기술원(KAIST)이 공동으로 수행했다.

연구를 주도한 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단 양희준 연구위원은 “2차원 단일 소재에서 반도체, 금속 물성 제어를 최초로 구현한 성과”라며 “5년 안에 반도체 산업 전반에 응용 가능한 소자를 개발하는 것이 궁극적인 목표”라고 밝혔다.

연구진은 이번 성과에 대해 “기존 2차원 물질에서 불가능으로 믿어져왔던 반도체-부도체-금속 물성을 상온, 공기 중에서 안정적으로 제어했다는 점이 기존 성과와 다른 점”이라며 “단일 물질에서 반도체-금속 물성이 가능하므로, 일반적인 반도체 소자, 특히 차세대 2차원 소자에 적용 가능하다”고 밝혔다.

연구진은 “소재를 개발하기까지 예상치 못한 난관으로 인해 에피소드도 많았다”며 “Te 증착으로 인해 많은 장비를 고장냈다”고 말했다.

또 “2차원 소자는 공학적으로 많은 산업화 가능성 테스트가 선행돼야 한다”며 “실용화까진 수 년 간의 시간이 소요될 것”이라며 산업적 응용을 위해선 대면적 성장, 쇼트키 접합(Schottky junction) 등 공학적 측면에서 선행돼야 할 과제가 남아 있음을 언급했다.

이번 연구결과는 물리학 분야의 권위지인 네이처 피직스(Nature Physics)에 게재됐다.