전북대학교 정창규 교수(신소재공학부)와 박지슬 석사과정생이 이차원 나노물질 합성을 활용한 전원 없이 마찰전기로 터치가 가능한 센서를 개발했다.

이 연구팀은 한국과학기술연구원 전북분원 기능성복합소재연구센터 이승기 박사 연구팀과 공동연구를 통해 레이저를 이용한 새로운 합성 공정을 개발, 이차원 나노물질인 이황화몰리브덴(MoS2)을 합성, 이를 활용해 마찰전기 기반의 터치 센서 개발 연구를 수행했다고 10일 밝혔다.

이번 연구 결과는 나노소재 및 에너지 분야의 세계적 저널인 'Nano Energy(IF=16.602)' 온라인 최신판에 게재됐으며, 12월호 단행본으로 출판 예정이다.

‘이황화몰리브덴’은 수 나노미터 두께의 아주 얇은 박막으로 존재하며, 투명하고 쉽게 휘어 지지면서도, 기계적인 강도가 높고 반도체 특성까지 띄고 있어 미래 반도체 신소재 물질로 주목받고 있는 이차원 물질이다. 

이와 관련 이전 연구에서 사용됐던 여러 이황화몰리브덴 합성 공정들은 고품질의 물질을 얻을 수 있는 장점은 있지만, 복잡한 공정 절차와 시간, 비용 등 많은 제한 사항들로 인해 연구에 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 새로운 레이저 합성법을 개발했다. 새로 개발된 레이저 합성법은 이황화몰리브덴의 전구체에 레이저를 쏴 열을 발생시키고, 이 열에 의해 열분해가 진행되면서 물질을 합성시키는 신기술이다.

이전 공정들과 다르게 진공 상태가 아닌 대기압의 공기 상태에서 합성 가능하고, 공정 절차가 간소화 됐으며, 저비용으로 대량 생산까지 가능해졌다는 점에서 매우 큰 의미를 갖는다.

연구진은 이차원 반도체 물질인 이황화몰리브덴의 레이저 기반 합성과 동시에 주름진 구조를 유도하고 마찰전기 효율을 기존 대비 40% 증대시킬 수 있음을 밝혀냈다. 인위적으로 제어된 주름 구조로 인해 이황화 몰리브덴의 격자 구조가 뒤틀리면서 소재 자체의 일함수가 증가하게 되어 보다 효율적으로 마찰전기를 발생시킬 수 있었을 뿐만 아니라, 단위 면적당 접촉하는 면적 역시 넓어졌기 때문에 고출력 특성을 얻을 수 있었다.

이러한 발전 원리를 터치 센서에 적용하면, 터치하는 기계적 힘에 의해 발생 되는 전기의 위치를 읽어낼 수 있어 새로운 타입의 이차원 물질 기반 유연 센서의 개발이 가능하다.

이번 연구를 주도한 정창규 교수는 “최근 많은 관심을 끌고 있는 마찰전기 소자 연구가 많지만, 여전히 미래 반도체 소재인 이차원 물질과의 융합연구는 많이 되지 못했었다”며 “이번 연구와 같이 2차원 나노물질의 합성과 동시에 표면형상이나 내부응력을 쉽게 제어할 수 있는 연구가 지속된다면 해당 분야의 다양한 물리적 특성을 밝혀낼 수 있을 것”이라고 연구 의의를 밝혔다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 한국연구재단 신진연구자지원사업 및 KIST 주요사업으로 수행됐다.

/장은성 기자