그래핀과 같은 2차원 물질의 물리적 성질을 제어하는 원리가 과일의 갈변과 같이 산화·환원 반응에 의한 것임이 밝혀졌다.

류순민<사진> 포스텍 화학과 교수 등 연구팀은 대기 중 2차원 물질의 원자에 외부 전하가 유입되는 도핑현상이 물과 산소의 산화·환원에 의한 전기화학적 반응에 의한 것임을 밝혀냈다.

실시간 형광 이미징을 이용해 대기 속 산소와 물 분자가 매개하는 전기화학적 산화환원반응을 관찰한 것인데 이 방법에 따르면 2차원 물질의 물리적 성질을 제어할 수 있게돼 휘어지는 영상소자, 초고속 트랜지스터, 차세대 배터리, 초경량 소재 등 2차원 반도체의 응용성을 한 차원 높일 것으로 기대된다.

그래핀과 이황화텅스텐과 같은 2차원 물질은 나노미터 단위의 두께를 갖는 물질로 얇고 잘 휘어지면서 단단한 특성 때문에 반도체나 디스플레이, 태양전지 등에 적용된다.

하지만 기온, 습도 등 주변 환경에 따라 쉽게 변조되거나 변형된다는 한계를 가지고 있다.

이제껏 이러한 변형 현상에 대한 비밀이 명확히 풀리지 않아 상용화에 어려움을 겪고 있었다.

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

또한 염산과 같은 산성 용액에서 일어나는 전하 도핑현상 역시 같은 원리로 용존 산소량과 수소 이온 농도를 이용해 제어되는 것을 증명했다.

이 연구를 통해 밝혀진 사실을 2차원 물질이나 다른 저차원 소재의 전기적·자기적·광학적 성질을 제어하는데 필수적인 기초 원리이다.

이 이론은 2차원 물질이 주변 환경에 의해 변형되는 것을 막는데 필요한 전처리와 플렉서블, 스트레쳐블 디스플레이를 위한 박막봉지와 같은 후처리 기술개발에도 활용될 수 있다.

이 연구성과는 최근 과학저널은 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 게재됐으며 연구는 삼성미래기술육성재단의 지원으로 수행됐다.