바이오센서, 플렉서블 디스플레이, 발광 다이오드(LED), 배터리 산업의 기술혁신에 쓰일 수 있는 꿈의 소재인 2차원 단일층 나노물질을 쉽고 간단하게 생산할 수 있는 기술이 개발됐다.

연세대 화학과 천진우 교수팀이 개발한 ‘탠덤 분자 박피 방법(Tandem molecular exfoliation, 이하 TMI)’은 전 세계적으로 새롭게 각광 받는 2차원 단일층(single-layer) 금속칼코겐 물질(metal chalcogenide)을 생산하는 기술이다.

2차원 금속칼코겐 물질은 단일층으로 얻어졌을 때 탁월한 물성을 갖기 때문에, 그래핀의 한계를 극복할 수 있는 새로운 소재로 알려져 있으며, 다양한 첨단산업에 응용할 수 있다.

따라서 양질의 1 나노미터 두께를 가지는 단일층 생산기술의 확보가 매우 중요하나, 현재까지 개발된 기계적 박피기술, 화학증착기술, 초음파용액방법은 복잡한 기계장치를 사용하거나, 혹독한 생산 공정을 사용하기 때문에 양질의 단일층 물질의 생산이 어렵거나, 대량생산에 한계가 있는 단점이 있었다.

이번에 개발된 TMI 공정에서는 제조 원료인 여러층으로 이루어진 2차원 물질과 다른 크기의 두 가지 분자(tandem molecule)를 용액에서 서로 섞어준다. 이때 크기가 작은 분자가 먼저 삽입되어 층간 거리를 넓힌 후 큰 분자가 삽입되면서 자연스럽게 층상물질이 박피(exfoliation)되어 단일층 2차원 물질을 얻어낸다.

이 방법은 특수한 장치 없이 상온에서 고품질의 다양한 단일층 2차원 물질을 대량생산하는 획기적 공정 기술이며, 기존 단일층 나노물질 생산의 한계를 극복했다.

특히 TMI 공정은 원리적으로 모든 2차원 층상물질에 적용이 가능하고, 용액에서 얻어지기 때문에 원하는 용도에 맞추어 반도체, 에너지 및 바이오 산업 등에 적용이 용이하다.

연구재단 창의연구사업지원으로 이뤄진 본 연구의 결과는 세계적 학술 잡지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’지 1월 9일자에 출판됐고, 현재 특허 출원 중이다.