2차원 나노소재 맥신의 성능과 기능을 향상시킬 수 있는 방법이 개발됐다. 다양한 산업 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
UNIST(총장 이용훈) 반도체 소재·부품 대학원 김수현 교수팀은 새로운 2차원 나노소재인 바나듐(V) 맥신을 안전하고 친환경적인 방법으로 합성했다. 합성된 바나듐 맥신은 실시간 온도 감지를 위한 신체 부착 센서에 응용 가능하다.
연구팀은 합성된 맥신에 성능 향상을 위한 귀금속인 루테늄(Ru)을 원자층 증착법을 이용해 원자 레벨 수준으로 정밀하게 첨가했다. 이렇게 추가 합성된 바나듐 맥신은 루테늄이 포함되기 전보다 3배 높은 감지 성능과 내구성을 보였다.
그림1. 원자층 증착법의 개요 및 원자층 증착법에 의해 이중 트렌치 (바닥 폭 15 nm)에 증착된 루테늄 박막의 완벽한 계단도포성
김수현 교수는 “현재 3차원 반도체 소자 집적을 위해 폭넓게 사용되는 원자층 증착법을 차세대 2차원 나노소재인 맥신의 성능 향상에 세계 최초로 적용했다”고 덧붙였다.
개발된 루테늄-바나듐 맥신을 이용해 제작된 센서는 피부에 부착해 실시간으로 피부 온도를 측정할 수 있다. 또한 호흡하고 있는지 여부나 호흡의 상태, 신체 접촉에 따른 온도 변화를 정밀하게 측정 가능하다.
그림2. 바나듐 맥신 소재의 합성과 루테늄 원자층 증착법을 적용하여 구현된 루테늄-바나듐 맥신 첨단 혼합 구조 및 실시간 피부 온도 감지, 비접촉 터치, 근접 감지, 호흡의 모니터링을 위한 신체 부착형 온도 센서로서의 적용 결과
연구팀이 적용한 바나듐 맥신은 기존에 주로 사용되어 왔던 타이타늄(Ti) 맥신에 비해 더 가볍다는 장점이 있다. 새로운 맥신 소재의 산업적 응용 가능성과 원자층 증착법 적용을 통해 귀금속 소재를 맥신에 최초로 적용한 것이다. 이는 원자층 증착법을 통해 맥신 소재 표면-내부 구조의 정밀한 엔지니어링이 가능하다는 점을 보여준다.
원자층 증착법을 통해 맥신 소재에 첨가한 귀금속 단일 원자나 귀금속 클러스터는 맥신 소재의 표면 활성을 향상시킨다. 귀금속 소재의 희소성이나 비용을 고려했을 때도 원자층 증착법을 이용하면 매우 적은 양을 정밀하게 맥신에 첨가할 수 있어 생산 비용을 절감할 수 있는 점 또한 주목할 만하다.
그림3. 바나듐 맥신 소재의 2차원 구조를 보여주는 고분해능 투과 전자현미경 이미지 및 원자층 증착법을 통해 원자 수준으로 정밀 제어된 맥신내 루테늄의 투과전자현미경 분석 결과
제 1저자 데바난다 모하파트라(Debananda Mohapatra) 연구교수는 “이번 연구를 통해 원자층 증착법을 활용한 2차원 나노 소재 맥신의 성능 향상과 응용에 대한 새로운 연구 분야가 개척됐다”고 설명했다.
김수현 반도체 소재·부품 대학원 교수는 “반도체 산업에서 이미 검증된 나노 소재와 박막에 대한 정밀 합성 기술인 원자층 증착법을 통해 다기능성을 갖춘 맥신 소재의 성능 향상을 증명했다”며 “헬스케어 모니터링 분야만이 아닌 맥신 소재의 다양한 분야로의 산업화 관점에서 많은 기여를 할 수 있을 것”이라고 설명했다.
이번 연구 결과는 저명한 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스 (Advanced Science)’에 2023년 2월 22일 온라인 게재됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 및 한국 연구재단 등의 지원으로 이뤄졌다.