포스텍 류순민 교수팀, 이차원 물질의 산화·환원 원리 규명

국민일보

포스텍 류순민 교수팀, 이차원 물질의 산화·환원 원리 규명

입력 2019-11-11 12:08 수정 2019-11-11 12:09
포스텍 화학과 류순민 교수. 포스텍 제공.

그래핀 등 차세대 신소재로 주목받는 2차원 물질의 물리적인 성질을 제어하는 기본 원리가 산화·환원 반응에 의한 것임이 밝혀졌다.

11일 포스텍에 따르면 화학과 류순민 교수팀이 대기 중 2차원 물질의 원자에 외부 전하가 유입되는 ‘도핑현상’이 물과 산소의 산화·환원에 의한 전기화학적 반응에 의한 것임을 밝혀냈다.

이 연구성과는 최근 과학저널인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature communications)’에 게재됐다.

그래핀, 이황화텅스텐과 같은 2차원 물질은 나노미터 단위(nm, 10억 분의 1m)의 두께를 갖는 물질로 얇고 잘 휘어지면서 단단한 특성 때문에 반도체나 디스플레이, 태양전지 등에 적용할 수 있어 꿈의 소재라 불린다.

하지만 기온, 습도 등 주변 환경에 따라 쉽게 변조·변형되는 현상에 대한 비밀이 명확히 풀리지 않아 상용화에 어려움을 겪고 있다.

연구팀은 이황화텅스텐의 실시간 광발광 이미징 방법과 그래핀의 라만 분광법을 이용해 2차원 물질과 친수성 기판 사이에 나노미터(nm) 규모의 높이를 가지는 공간에서 산소 분자가 확산하는 것과 해당 공간에는 반응을 매개할 수 있는 양의 물이 포함돼 있음을 확인했다.

또 염산과 같은 산성 용액에서 일어나는 전하 도핑현상 역시 같은 원리로 용존 산소량과 수소 이온 농도(pH)를 이용해 제어되는 것을 증명했다.

이 연구를 통해 밝혀진 사실은 2차원 물질이나 다른 저차원 소재의 전기적·자기적·광학적 성질을 제어하는데 필수적인 기초 원리이다.
친수성 기판인 산화실리콘 기판(SiO2) 위에 놓인 이차원 물질인 단일층 이황화텅스텐(1L WS2)이 대기 중에 있는 물과 산소 분자와 상호작용하는 것을 보였다. 포스텍 제공.

연구팀에 따르면 이 이론은 2차원 물질이 주변 환경에 의해 변형되는 것을 막는데 필요한 전처리와 플렉서블, 스트레쳐블 디스플레이를 위한 박막봉지(Encapsulation)와 같은 후처리 기술 개발에도 활용될 수 있다.

류순민 교수는 “실시간 형광 이미징을 이용해 대기 속 산소와 물 분자가 매개하는 전기화학적 산화환원반응이 핵심이라는 사실을 밝혀 물성 제어를 위한 기본 원리를 제공하게 됐다”며 “이 반응은 2차원 소재뿐만 아니라 양자점, 나노선과 같은 물질에도 적용되기 때문에 저차원 물질에 기반한 나노과학기술의 발전에 중요한 디딤돌이 될 것이다”라고 말했다.

포항=안창한 기자 changhan@kmib.co.kr

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