네이처(Nature)와 사이언스(Science), 셀(Cell)은 이른바 ‘NSC’로 불리며 세계에서 가장 영향력 있는 최고 학술지로 손꼽힌다. 그만큼 세계 최고의 연구 성과들이 게재되고, 연구자들도 이 저널에 논문을 싣는 것을 최고 영예로 생각하기도 한다.

전북대 박사과정에 재학 중인 학생이 해냈다. 주인공은 전북대 고분자·나노공학과를 졸업하고, 현재 대학원 BIN융합공학과 박사과정에 재학 중인 이주송 학생(사진)이다.

이 씨는 질소와 붕소로 구성된 2차원 절연 소재인 질화붕소(hBN)를 대면적 단결정 박막으로 합성하고, 이를 기판으로 활용해 다양한 2차원 물질과 그의 이종 적층구조를 대면적 단결정 박막으로 합성하는 기술을 개발, 세계 최고 저널인 사이언스지에 제1저자로 논문을 게재했다. 연구 책임자인 한국과학기술연구원(KIST) 김수민 박사, 전북대 BIN융합공학과 이승희 교수의 지도를 받았고, 성균관대와 동국대학교가 공동으로 연구했다.

이는 전북대가 2008년 세계적 수준의 연구중심대학원(World Class University) 육성 프로그램으로 대학원 과정의 BIN융합공학과를 설립한 이래 10년 만에 처음으로 사이언스지 논문 게재라는 성과를 올린 것이다.

단결정 2차원 물질들은 전기적인 특성, 유연성, 투명성이 우수해 차세대 투명 유연 전자 소자의 핵심 소재로 꼽힌다. 또한, 가스를 투과시키지 않아 기존 유기 전자 소자의 가스 장벽으로 활용 가능성이 매우 높은 소재이다. 그 중 질화붕소는 2차원 물질 중에서 유일하게 절연 특성을 지닌 물질로, 2차원 물질로 구성된 투명한 플렉서블, 웨어러블 소자 구현 시 절연층으로 주목받고 있다.

그러나 기존 합성법으로 개발된 대면적 질화붕소는 다결정 형태로 합성이 되어, 질소와 붕소의 원자결합이 불완전하여 절연 특성이 떨어지는 문제가 있었다. 이에 대면적 단결정 질화붕소 합성이 난제로 남아 있었다. 

연구팀은 대면적 액상 금 표면 위에서, 질화붕소의 결정립이 동일한 결정 방향으로 형성되는 ‘자가 줄맞춤(Self-collimation)’ 현상을 이용해 단결정 질화붕소 박막을 합성했다. 이 방법은 박막의 크기가 제한되지 않아 원하는 크기대로 단결정을 합성할 수 있다.

이번 연구결과는 세계 최초로 이종 원소로 구성된 2차원 소재를 대면적 단결정으로 합성할 수 있는 원천기술 개발한 것일 뿐만 아니라, 다양한 2차원 소재의 이종 적층구조를 대면적 단결정으로 성장할 수 있는 새로운 연구 패러다임을 제시한 것으로 평가받고 있다. 이를 바탕으로, 차세대 투명 유연 전자 소자 및 가스 배리어, 센서, 필터 등의 개발에 큰 혁신을 줄 것으로 기대된다.

/장은성 기자