동국대학교 양자기능반도체연구소 연구진이 ‘상온에서도 전자의 스핀을 이용할 수 있는 신물질 α-MoO3:Te 2차원 자성반도체 나노 박막의 성장’에 성공했다. 해당 연구는 나노과학 분야 최상위 학술지 중 하나인 ACS Nano, 8월 27일 자에 <Room-Temperature Ferromagnetic Ultrathin α‑MoO3:Te Nanoflakes>(상온 강자성 α‑MoO3:Te 나노 플레이크)라는 제목으로 발표됐다.

   양자기능반도체연구소는 교육부 대학중점연구소지원사업에 선정되어 ‘양자-나노구조 반도체 기반의 미세정보소자’ 연구를 진행하고 있다. 이세준 교수(일반대학원 반도체과학과)와 이동진 박사(양자기능반도체연구소)의 주도로 진행된 본 연구는 기존 자성반도체 박막 성장 방식, 즉 전이금속 도핑법의 단점인 반강자성체 클러스터 형성을 극복하고자 새로운 자성반도체 나노박막 성장 기법을 착안했다. 기존의 전이금속 도핑법은 반도체 박막 성장 시 철, 니켈, 크롬 등의 전이금속을 삽입해 반도체 박막에 자기모먼트를 제공하는 방식이나, 전이금속의 클러스터 형성이 항상 문제가 되었다. 본 연구에서는 그러한 전이금속을 도핑 하지 않고 기본 반도체 구성 입자의 이온 상태를 조절함으로써, 자발적인 자기모멘트를 발생시킬 수 있는 새로운 기법이 적용되었다.

   이번에 연구를 통해 개발된 2차원계 자성반도체 나노박막은 기존 3차원 벌크 구조의 자성반도체 박막에 비해 스핀 수명과 확산거리가 길다는 뛰어난 장점이 있다. 따라서, 전자(Electron)의 전하(Charge) 성질만을 주로 이용하는 기존의 3차원 반도체에 비해, 2차원 자성반도체 나노 박막은 전자의 스핀(Spin) 성질을 동시에 이용할 수 있게 된다. 이러한 경우, 양전하(Positive Charge)와 음전하(Negative Charge) 그리고 스핀업(Spin-Up)과 스핀다운(Spin-Down) 특성을 모두 이용할 수 있기 때문에, 보다 세밀하게 분할된 전기 신호를 발생시킬 수 있게 된다. 즉, 기존 On과 Off 개념의 2진수 기반 디지털 체계를 4진수 혹은 8진수 체계로 확장하여 새로운 정보처리 패러다임을 창출할 수 있다는 것이다. 또한, 2차원계 자성반도체는 유연하며 구부러질 수 있는 특성을 가지고 있어서 웨어러블 전자소자로의 응용이 가능하다. 이러한 특성을 이용하면 섬유질처럼 입을 수 있거나 혹은 타 물체로의 자유로운 탈부착이 가능한 새로운 형태의 전자제품 개발이 가능하게 된다. 더불어 2차원계 신물질 α‑MoO3:Te는 생체 신호를 감지하는 바이오센서부터 주변 가스에 민감하게 반응하는 고성능 가스센서, 군수 산업 등까지 다양한 분야에 적극 활용될 수 있다.

   또한, 2차원 α-MoO3:Te 나노 박막은 세계의 다른 연구기관으로부터 많은 주목을 받고 있다. 특히 바이오센서에 큰 관심을 가지고 있는 호주 모나쉬 대학(Monash University)과는 나노 박막 실용화를 위한 대면적화 논의가 진행 중에 있고, 나노과학기술연구소 설립을 앞둔 인도 첸나이 과학기술원(Chnnai Institute of Technology)에서는 나노 신물질 분야 연구개발을 위한 연구소 설립과 환경 구축에 대한 전반적 협력을 요청해온 상태다.

   이세준 교수는 “이번 성과를 통해 동국대학교의 나노과학 분야 연구경쟁력을 대내외적으로 알릴 수 있게 되어 매우 기쁘고, 여기에 안주하지 않고 연계 프로젝트를 계속 진행하여 보다 진보된 연구기관으로 거듭날 수 있도록 노력하고자 한다”라고 밝혔다. 더불어 반도체 과학이라는 실험 분야를 연구하는 학생들에게 “실험에는 실패가 없고 또 다른 도전을 향한 중간과정이 있을 뿐이니, 항상 성실하고 꾸준히 연구하면 좋은 결과는 자연히 뒤따르기 마련이다”라고 말을 덧붙였다.