이차원 소재기반 가스센서 연구 현황
글 _ 유영준 충남대학교 물리학과 2차원 물질 : 합성부터 응용까지
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1. 서론
최근 원자 층 두께이면서 다양한 전기적 특성을 가진 이차원 물질(2D materials)들에 대한 기초 및 응용연구 에 대해 활발히 진행 되고 있다.1-12) 기본적으로 그 두께 가 3 ~ 6 Å 이면서(Fig. 1(a)), 전기적 에너지 밴드갭 (Electrical Energy Band-gap)이 0 eV ~ 2 eV, 그리 고~6 eV까지 다양한 구조를 가지고 있어서(Fig. 1(b)) 이 들을 이용한 광 및 전자 소자 응용연구가 활발히 진행 되 고 있다.4-12) 특히 Fig. 2(a)와 같이 대표적인 이차원 물 질인 그래핀(graphene)과 헥사고날 보른 나이트라이드
(h-BN)에 대한 연구의 경우 2004년 부터 활발히 진행 되어 왔으며, 2008~ 2010년부터 다양한 반도체 특성의 transition metal dichalcogenides(TMDCs)와 Black Phosphorus(BP)등의 새로운 이차원 물질에 대한 연구 가 꾸준히 진행 되고 있다.11) 게다가 이러한 원자층 두께 의 이차원 물질의 경우 다양한 전기적 특성을 살려 고성 능의 전기적 특성을 얻는 연구 외에도 투명하며 유연한 소자로서의 응용연구가 Fig. 2(b) 같이 빠르게 진행 되고 있다.12) 일 예로 e-tattoo, wearable and smart electronics 등의 응용 분야에 항상 센서들이 포함 되어 있고, 인체 및 공기중의 오염도를 측정하는 화학적 센서(chemical
Fig. 1. (a) 이차원 물질의 원자 층 구조 및 특성을 대표적으로 보여주는 다양한 이차원 물질 이미지7). (b) 다양한 이차원 소재들에 대한 전기 적 에너지 밴드갭(Electrical Energy Band-gap)을 보여주는 그래프9).
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sensor)에 대해 많은 관심을 받고 있다. 이를 바탕으로 이차원물질의 다양한 응용연구들 중 많은 연구가 활발히 이루어지는 주제가 가스 분자 센서(gas molecule sensor)로의 응용연구이다. 이차원 물질은 앞서 언급한 것과 같이 그 두께가 원자 층 두께(3 ~ 6 Å)이면서도 면 적으로는 공정에 따라 대면적 인치(inch) 스케일까지 확 장시킬 수 있기 때문에, Fig. 2(c)와 같이 이러한 뛰어난 볼륨 당 면적 비율(surface-to-volume ratio)을 기반으 로 원하는 가스분자들과의 높은 상호작용(interaction) 을 이용함으로써 기존의 3차원 스케일의 반도체 가스센 서보다 다양한 장점을 보여 주고 있다.13-48) 본문에서는 이러한 이차원 물질을 기반으로 하는 가스센서 연구에 대한 연구결과들과 함께 지금까지 진행 되어온 현황들 을 소개 하도록 하겠다.
2. 본론
2.1 이차원 물질 기반 가스센서 작동 원리
이차원 물질을 이용한 가스센서의 경우 그 작동 원리는 기존의 반도체 소자 가스센서와 같다. 즉 Fig. 3(a)와 같 이 공기 중에 측정하고자 하는 분자가 퍼져 있을 때 그 분 자들이 이차원 물질의 표면에 흡착(adsorption)되면서 상호간에 전하(electron)가 이동하는 방향과 정도에 따라 분자들을 감지하는 원리이다. 이때 각각의 분자들과 이차 원 물질 표면간의 흡착되는 에너지는 그 구조 및 전기적 에너지 밴드에 의해 결정 되며 매우 다양하다. 일 예로 NO2 분자의 경우 graphene과 TMDCs 그리고 BP와의 흡착 에너지는 대략 0.1 ~ 0.6 eV인 것으로 보고 되고 있 으며15), 이러한 흡착 에너지는 가스 센싱 감도를 결정하 는 하나의 요소가 된다. 또한 표면에 흡착된 분자들을 이
Fig. 2. (a) 2004~2016까지 다양한 이차원 물질을 주제로 투고된 논문 수.11) (b) 다양한 이차원 물질을 이용한 응용 연구에 대한 모식도.12) (c) 이차원 물질을 이용한 가스센서연구에 대한 모식도.13,14)
Fig. 3. (a)이차원 물질 표면에 흡착된 분자와 이차원 물질간의 전하 이동도 성향에 따른 현상을 보여준 개략도. (b) Graphene FET 표면에 흡 착된 Donor 혹은 Acceptor 성향의 분자에 따른 저항변화(가스센서 감도) 측정 결과들16)
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차원 물질에 전자를 주는 donor와 전자를 빼앗는 acceptor로 구분 할 수 있으며, 각각의 경우 이차물질의 도핑(doping)상태가 n-doping과 p-doping으로 변화 됨에 따라 바뀌는 전기 전도율(conductance)을 확인 함 으로써 각각의 분자들에 대해 다양한 측정을 진행 할 수 있다. 이러한 이차물질의 가스센서 응용에 대한 시작으로 Fig. 3(b)와 같이 간단한 graphene field effect transistors(FETs)소자를 이용하여 각각의 다른 특성의 가스 분자들의 흡착에 따른 전도율 변화를 시간에 따라 얻을 수 있는 결과를 보임으로써 많은 연구가 시작 되었 다.16) 이후 이러한 전도율 변화를 얼마나 크게(high sensitivity) 그리고 빨리(rapid response)얻느냐에 대한 성능 연구가 주로 이루어 지고 있다.
2.2 이차원 물질 표면 및 구조에 따른 가스센서 특성 표면에 가스분자의 흡착에 의한 센싱 연구의 경우 graphene 자체만을 보았을 때 완전한 카본원자들의 이 차원 결합 구조는 자체적으로 매우 안정한 상태이기 때문 에 다른 분자들의 흡작을 유도하기에는 좋은 구조가 아니 다. 그럼에도 다양한 가스 분자들과의 흡착 및 이를 통한 전기 전도율의 변화를 확인 할 수 있다는 것은 graphene 을 가스센서로 응용하는데 도움이 되는 결함(defect)이
존재 함을 의미한다. 초기 graphene을 이용한 가스센서 응용 연구의 경우 reduced graphene oxide(rGO)를 이 용한 연구들이 활발히 진행 되어 왔기 때문에 기본적으로 defect가 존재하며 이를 통한 가스 센서에 어느정도 영향 을 미칠 것으로 이미 예상하고는 있었다.17-21) 그러나 이 러한 defect들의 역할을 확실히 확인 하기 위한 연구들은 최근에 본격적으로 시작 되었고 Fig. 4와 같이 다양한 기 초 실험 결과들이 보고 되었다.22, 23) 우선 Fig. 4(a)와 같 이 graphene FETs를 이용한 가스센서 연구가 가장 기본 적으로 진행 된다. 이때 graphene FETs를 제작하는데 필요한 소자 공정(fabrication) 중에 사용되는 polymer 마스크들(Photo or e-beam resist 등)의 잔류물들 (residues)이 graphene 표면에 존재하는 경우와 이를 annealing (400 ℃, Ar/H2)을 통해 제거한 경우를 직접 적으로 비교해 보았다. 그 결과 Fig. 4(b)와 같이 residues 를 제거한 경우 전하 이동도(transport)성능이 향상한 반 면, Fig. 4(c)와 같이 가스 센싱 성능이 저하 되는 것을 확 인 하였다.22) 이 경우 graphene FETs제작시 존재하는 residue들이 graphene표면에 전기적 defect를 유도하 여 가스 분자들의 흡착에 도움을 주며 역시 graphene의 전류 전도도 변화에도 도움을 줌을 확인 할 수 있다. 또한 graphene FET를 바닥면에서 분리시킨 suspended
Fig. 4. (a)Graphene/SiO2 FET의 Atomic force microscopy(AFM)이미지. (b) Annealing 전후의 전하이동도 (transport curve) 경향 비교 결 과. (c) Annealing을 통한 graphene 표면 cleaning 전, 후의 가스 측정 결과들22). (d) Suspended graphene에 대한 scanning electron microscopy(SEM)이미지와 이 소자에 가스분자를 노출 시켰으나, 저항의 변함이 없는 결과. (e)Defective substrate의 적용 유무에 따 른 분자 흡착을 통한 가스 분자 측정 경향에 대한 계략도23).
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graphene의 경우 표면의 전기적 안정도가 상승함으로써 가스 분자들의 흡착 현상이 아예 일어나지 않는 것을 Fig. 4(d)에서 확인 할 수 있었다. 즉 이로부터 Fig. 4(e) 와 같이 graphene FET가 준비되는 바닥면이 defective 할 때 가스 분자들의 흡착 비율을 향상 시킬 수 있다.23) 우리가 일반적으로 사용하는 산화 실리콘(SiO2)을 바닥 면으로 사용할 때 SiO2의 dangling bond가 일종을 defect로 작용하면서 graphene 표면에 전기적인 defects 즉 electron-hole puddle 24-26)이 수백 나노미터 크기로 생성 되고 이러한 전기적인 defect들과 가스 분자 들과의 전기적인 인력을 통해 흡착이 일어나는 것으로 이 해 할 수 있으며, 이를 통해 graphene 표면의 이러한 전 기적인 defect들은 가스 센싱 응용에 도움이 된다는 것을 알 수 있다. 그리고 이러한 현상은 앞서 언급된 graphene 표면의 residues에 의한 전기적 defect도 함께 설명할 수 있다. 반면 구조적인 defect, 즉 카본 원자들이 임의적으 로 honeycomb 구조에서 비어 있는 vacancies의 경우 Fig. 5와 같은 실험을 통해 가스센서 응용에 어떠한 영향 을 주는지 확인 할 수 있다. Fig. 5(a)의 경우 다른 두 종
류의 chemical vapor dispersed graphene(CVD- graphene)을 이용했는데, 이때 각각의 CVD-graphene 의 품질(quality)은 Raman spectra에서 vacancy defect를 나타내는 D-band peak과 graphene honey- comb구조로 부터 나오는 G-band peak간의 intensity 비율(ID/IG)로 vacancy defects의 비율이 낮은 single layer graphene1(SLG1, ID/IG = 0.02~0.1)과 높은 SLG2 (ID/IG = 0.2~0.5)로 확인 할 수 있었다.14) 이러한 두 시료들에 가스분자들을 노출 시키고 전류 전도율 변화 를 확인 해본 결과 vacancy defect비율이 적은 SLG1의 경우 높고 빠른 센싱 신호를 Fig. 5(b)와 같이 얻을 수 있 었다. 이러한 결과로부터 기본적으로 graphene의 vacancy defects의 비율이 적음으로써 초기 전하 전도도 가 높은 경우 높은 가스 센싱 효과를 얻을 수 있음을 다양 한 결과로부터 확인 할 수 있다. 그럼 vacancy defects가 아닌, honeycomb구조에서 원자 하나가 적거나 많은 CVD-graphene내의 grain boundary의 경우를 역시 고려할 수 있다. 이 경우 Fig. 5(c)와 같이 두개의 single crystal CVD-grpahene이 접합 되어 있는 grain
Fig. 5. (a) 두 종류의 다른 품질의 CVD graphene SLG1과 SLG2의 Raman D band peak과 G band peak의 intensity 비율결과 (ID/IG). (b) SLG1 과 SLG2에 NO2 가스 1 ppm을 노출 시키고 확인 한 시간에 따른 저항 변화(가스 측정 감도) 결과14). (c) CVD-graphene의 두 crystal 들이 맞닿은 grain boundary를 기준으로 제작한 FET소자 이미지. (d)Grain boundary를 기준으로 좌우의 graphene들의 가스센서 감 도 및 grain boundary를 가운데 놓고 측정한 가스 센싱 감도 결과. (e)Grain boundary를 여러 개 포함하고 있는 graphene을 이용한 FET소자에 대한 저항 개념도 및 이미지 그리고 grain boundary 개수에 따른 가스센서 감도 변화 결과27).
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boundary를 중심으로 소자를 만든 후 가스 측정 실험을 진행 한 결과 Fig. 5(d)와 같이 grain boundary가 중간 이 있는 경우가 가스센싱 신호가 더욱 높음을 확인 함으 로써, 원자 스케일의 구조적 defect는 가스분자 흡착율을 높여 준다는 결론을 내릴 수 있다.27) 다만 Fig. 5(e)에서 보여 지는 것과 같이 grain boundary의 수가 2개 이상 많아지면 역시 초기 감도 60%에서 20%로 급격히 가스 센싱 감도가 떨어지는 결과는 피할 수 없다. 즉 graphene 의 경우 카본 원자가 graphene 구조에서 빠진 vacancy defects를 제외한 전기적인 defect (예: electron-hole puddles, 단일 grain boundary in CVD-graphene)들 은 가스센서적용에 도움을 줌을 알 수 있다. 물론 이외에 도 graphene의 가스센서 응용 연구는 의도적인 주름모 양을 만들어서 표면적을 증가시켜 가스 센서 감도를 높이 거나, 화학적인 분산으로 얻어진 graphene 조각들을 이 용한 가스센서 연구 등 다양한 성능 향상 연구들이 시도 들이 진행 되고 있다.28,29)
반면 이러한 graphene의 다양한 구조 변화를 통한 성 능 향상연구에도 불구 하고 태생적인 가스 센싱 성능의 한계는 보이기 때문에 다양한 이차원 물질에 대한 가스센 서 연구 역시 최근 함께 진행 되고 있다. 특히 이차원 반
도체인 TMDCs 및 BP 와 같은 새로운 물질기반 FET에 서도 graphene과는 다른 두 종류 원자들의 결합 및 구조 로 이루어져 있기 때문에 다양한 가스센서로써 성능 향상 의 가능성을 보여 주고 있다.30-34) 일 예로 이러한 TMDCs 구조의 경우 가운데 하나의 금속 원자와 주위의 S2, Se2
혹은 Te2와의 결합 구조로부터 측정하고자 하는 분자와 의 흡착력이 어느 분자가 높은가에 따른 다양한 소자 구 조를 요구하는 연구들이 보고 되고 있다. 즉 Fig. 6(a)와 같이 대표적인 TMDCs 중 하나인 molybdenum disulfide (MoS2)의 경우 NO2 분자 ( > 10ppm)와의 흡착 되는 위치가 MoS2의 edge일 때(~ 10 %), 일반적인 표면 (~ 3%) 보다 높은 측정 감도를 보여 줌이 확인 되였다.30) 즉 Fig. 6(b)에서 보여 지는 것과 같이 MoS2 의 가운데 molybdenum원자의 경우 NO2의 oxygen 원자와의 흡착 율이 더욱 높은 특성을 그 원인을 찾을 수 있다. 또한 Fig. 6(c), (d)와 같이 100 ppb의 NO2에 대해 BP는 ~ 1500 %의 매우 높은 측정 감도를 보고 하고 있다.15) BP 의 경우 phosphorene의 bonding 구조가 graphene과 같이 평면이 아닌 한번 구부러져 있는 구조로써 NO2와의 전기적 흡착에너지가 대략 0.65 eV로 0.11~ 0.29 eV인 graphene 및 rGO 보다 월등이 높기 때문임이 보고 되었
Fig. 6. (a)MoS2의 수직 및 수평 구조의 비율에 따른 가스 센싱 결과. (b)수직 및 수평의 MoS2와 NO2와의 흡착율에 대한 설명을 위한 계략도.
[30] (c)BP FET에 대한 다양한 가스 분자들의 센싱 결과들. (d) NO2 가스에 대한 BP FET의 가스 센싱 감도 결과15).
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다. 이와 같이 이차원 반도체 물질 기반의 가스 센서의 경 우 그 분자 구조에 따라 graphene에서는 보지 못한 가스 분자 감도 특성들을 확인 할 수 있다.
2.3 표면 처리를 통한 이차원 물질 가스 센성 성능 향상
앞서 언급된 것과 같이 근본적인 이차원 물질의 구조에 따라 다양한 가스 분자 측정 성능을 결정 하고 이에 따른 응용 방향을 결정하기도 하나35-40), 다양한 다른 물질과의 결합을 통해 가스 센서의 감도를 증가시키는 연구 또한 활발히 진행 되고 있다. Fig. 7(a), (b)와 같이 MoS2와 rGO 위에 Pt-NP (나노입자, nanoparticle)들을 올려 줌으로써, 가스분자 센싱 감도가 2~3배 가까이 각각 증 가함을 보고하거나35), rGO 표면에 SnO2-NP들을 올려 줌으로써 donor와 acceptor역할의 NH3 와 NO2의 흡착 에 대한 반응도가 증가 함을 확인 하는 결과가 Fig. 7(c) 와 같이 보고 되고 있다.36) 이러한 결과들은 메탈 혹은 반 도체 나노입자들과 이차원 물질간의 높은 Schottky
barrier에 의한 분자 센싱 감도 증가와 가스 분자들의 나 노입자들에 잘 흡착하는 현상으로 설명 되고 있다. 게다 가 Ag Nanowire Functionalized(ANF) WS2 로부터 NO2 25 ppm에 대해 58 %의 높은 감도를 얻은 결과가 Fig. 7(d)와 같이 보고 되었는데, 이 결과는 ANF-WS2의 경우 Ag NW와 WS2의 work function(WF)차이를 통해 WS2의 WF이 더욱 n-type으로 변화되면서 NO2에 대한 감도와 선택 성이 월등히 증가하는 것으로 설명하고 있 다.37) 이와 같이 다양한 메탈 혹은 반도체 나노구조와의 이종 접합을 통해 가스 센서 특성 향상을 보이는 결과들 이 많이 연구 보고되고 있다.
2.4 이차원 물질을 이용한 투명 유연 기능 가스 센서 연구
원자 층 이차원 물질의 장점 중 하나가 투명하며 유연 한 소자로의 응용 가능성이므로, 당연히 가스센서 소자의 경우도 다양한 이차원 물질을 이용한 투명 유연 기능의 가스 센서 소자 연구가 보고 되고 있다.14,33,35,39,41) 우선 기
Fig. 7. (a) GO 패턴위에 MoS2 thin film을 올려 MoS2 채널 rGO 전극 구조위에 Pt-NP들을 올린 구조 개념도 및 광학 이미지. (b) Pt-NP 표면 처리 유무에 따른 MoS2, rGO 가스센싱 감도 결과들35). (c)rGO 표면 위에 SnO2-NP 처리를 통한 가스 센싱 감도 결과들36). (d) ANF- WS2 소자 개념도 및 가스측정 결과37).
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본적으로 Fig. 8(a)와 같이 투명 유연 기판 위에 gra- phene을 전사하여 제작하는 기본적인 가스센서를 생각 할 수 있다. 이때 그 투명도는 graphene 고유의 흡수율 을 바탕으로 적어도 90 %이상의 투과도를 얻을 수 있으 며, 유연도는 기판 고유의 성능을 그대로 이용할 수 있 다.14) 즉 이러한 유연도 특성으로부터 적어도 1.5 % strain 조건에서도 가스 센싱 감도가 변화가 없음을 Fig.
8(b)와 같이 확인 보고 되어 있다. 이러한 특성은 graphene 뿐만이 아니라 다양한 이차원 물질들을 이용 할 수 있다. 일 예로 Fig. 8(c)와 같이 WSe2 반도체 채널 과 NbSe2 메탈전극을 이용한 투명 유연 가스센서 소자를 제작 및 특성 보고 등의 다양한 연구가 진행 되고 있다.33)
반도체기반 가스센서의 경우 기본적으로 가스 분자들 의 표면에의 흡착에 의해 센싱을 할 수 있다. 이러한 흡착
Fig. 8. (a)투명하고 유연한 그래핀 가스센서의 가스분자 농도변화에 따른 센싱 측정 결과. (b)유연성에 따른 가스 센싱 성능 변화도 측정 결과
14). (c)WSe2 채널 NbSe2 전극을 이용한 투명하며 유연한 가스센서33).
Fig. 9. (a) Graphene 히터를 적용한 투명 유연 가스센서 이미지. (b) Graphene 히터를 이용한 온도 상승 측정 결과. (c) Graphene 히터에 의 한 온도 적용에 따른 recovery 현상 결과. (d)Graphene 가스센서 및 graphene 히터를 이용한 NO2 가스 측정 결과14). (e) Graphene ribbon구조의 가스센서 구조 및 이미지. (f) Graphene ribbon 구조의 self-heating에 의한 온도 상승 결과. (g) Graphene ribbon 구조 의 self-heating에 따른 가스 센서 측정 결과41).
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의 경우 가스 센싱 감도와 그 이후의 초기화(recovery) 반응 속도(response time)를 높이기 위해 소자자체에 열 에너지를 제공할 수 있는 heater를 함께 제작 하는 경우 가 있다. 물론 이차원 물질 기반 가스센서의 경우도 heater를 이용한 성능 향상 연구가 함께 진행되고 있는 데, 기존의 메탈기반의 heater를 이용한 소자 제작 연구 진행이 대부분이었다. 이 경우 이차원 물질 채널의 장점 인 투명도와 유연도를 유지할 수 없기 때문에, 이러한 단 점을 극복하기 위해 최근 graphene을 heater로 사용하 는 연구들이 Fig. 9와 같이 보고되고 있다.14,41-43) 우선 가 장 기본적으로 Fig. 9(a)와 같이 하나의 기판 위에 가운 데는 한 층의 graphene 가스센서 채널과 양단에 두 층의 graphene heater를 제작할 수 있다.14) 이러한 heater 중 심에는 Fig. 9(b)와 같이 250 ℃ 온도의 열에너지를 그리 고 가운데 채널 부분에는 바닥면을 통해 150 ℃ 온도의 열에너지를 제공할 수 있음을 보고 했다. 이로부터 적어 도 100 ℃ 이상의 열에너지로부터 빠른 초기화 시간을 얻 을 수 있음을 Fig. 9(c)과 같이 확인 할 수 있으며,
graphene 층수에 관계없이 초기화 시간을 모두 ~ 10 s 이내로 줄일 수 있음을 Fig. 9(d)와 같이 보고 하였다. 또 한 Fig. 9(e)와 같이 단일 층 graphene 채널을 가스 측정 채널과 heater로 동시에 사용하는 결과도 보고 하였는 데, 단일 층 graphene 채널로부터 ~ 80 ℃ 온도의 열에 너지를 생성 할 수 있음을 Fig. 9(f)와 같이 확인 하였으 며, 자체적으로 열을 내는 동시에 가스 분자 측정을 하였 을 때 가스 분자 센싱 감도가 증가함을 Fig. 9(g)와 같이 보고 하였다.41)
2.5 가스분자들의 선택적인 센싱 성능 연구 및 이차원 물질 이종 접합구조 가스센서
반도체 물질 기반 가스분자 센서소자의 경우 현재까지 가장 큰 숙제로 남아 있는 것이 가스분자 측정의 선택성 (selectivity) 확보이다. 물론 이차원 물질 기반 가스 센서 의 경우도 이러한 가스 분자 센서의 완벽한 selectivity는 아직 확보하지 못하고 있으나, 다양한 방법들이 제안 되 고 있다.34,44,45) 일 예로 Fig. 10(a)와 같이 가스 분자들의
Fig. 10. (a)Graphene FET 소자 SEM 이미지 및 frequency 분해를 통한 다양한 분자에 대한 측정 결과들44). (b) WS2에 전기 및 광학적 작용 에 따른 다양한 가스 분자 측정 결과.34)
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graphene FET에 흡착되는 신호를 진동수(frequency) 대역으로 측정하여 각각의 분자들에 따라 확인 하는 방법 을 실험하여 보고 하였다.44) 또한 Fig. 10 (b)와 같이 WSe2 FET에 단순히 전기적 신호 뿐만 아니라, 가스 분 자들의 흡착에 의한 광 반응 변화율까지 같이 접목하여 다양한 분자들의 흡착에 따른 신호 변화들을 측정 보고한 결과들도 있다.34) 이 경우 전도율 변화 이외에 광전자 특 성을 각각의 가스분자들의 흡착상황에 따라 확인 함으로 써 분자들의 선택적 측정 가능성을 좀더 높일 수 있다는 아이디어이다.
최근 이러한 가스 분자들의 더욱 높은 성능과 선택적인 측정 연구를 위해 다양한 이차원 물질 소자 구조들을 적 용하는 연구가 진행 되고 있으며, 이중에서 이차원 이종 접합구조(van der Waals heterostructures)를 이용한 안정하고 높은 성능의 가스센서 소자 응용연구 또한 함께 진행 되고 있다.46-48) 기본적으로 기존에 반도체 소자기반 의 가스센서의 경우 측정하는 채널 부분이 언제나 가스 분자들에 노출되어 있음으로써 높은 감도를 얻을 수 있었 으며, 이러한 상황은 이차원 물질 채널 가스센서의 경우 도 같다. 다만 이경우 분자들의 흡착 비율의 증가에 의해 채널의 성능 및 수명이 감소함을 피하기 어렵다. 그런데 최근 이차원 물질 중 절연 층으로 많이 사용하는 h-BN 으로 이차원 물질 채널을 보호 함으로써 소자의 안정도를 향상 시키는 결과가 보고되어 있다.47) 즉 Fig. 11(a)과 같 이 부분적으로 h-BN으로 MoS2 채널을 덮은 소자 구조
를 준비한 후 h-BN encapsulation유무에 따른 transport curve변화를 1~7일에 걸쳐 비교해본 결과 h-BN으로 보호하는 MoS2 FET의 전하 이동도 특성 변 화가 거의 없이 안정한 것을 Fig. 11(b)와 같이 보고 하였 다. 더욱이 h-BN으로 덮여있으나, 그 두께가 원자 층으 로 외부의 원하는 분자들과 MoS2 채널간의 전기적 상호 작용이 아직 충분히 존재하므로, 가스 센싱 현상은 계속 유지되며, 이를 통해 다양한 분자들에 대한 저항 변화들 을 구분해서 얻는 결과를 역시 보고 하였다. (Fig. 11(c)).
또한 graphene/WS2/graphene tunneling FET를 이용 한 가스센서 연구도 진행되었는데, 이로부터 특정 가스에 대한 정류 효과 결과와 두가지 이상의 가스 분자들이 혼 합된 상황에서 각분자들의 농도 변화에 따른 가스 센싱 감도 변화 결과들을 보고 함으로써 이후 두가지 이상의 가스 분자들이 혼합된 경우에 대한 기본적인 background 신호를 구별할 수 있는 방법을 소개 하는 등48) 이차원 물 질 이종 접합 구조를 통한 높은 성능의 가스 센서 구현 연 구도 활발히 진행되고 있다.
3. 맺음말
다양한 가스센서 연구 분야 중 반도체 물질을 이용한 가스센서의 경우 전기적 신호 변화에 의한 빠른 감도 덕 분에 실생활에 바로 사용하는 수준까지 발전해 있다. 다 만 아직까지 두가지 종류 이상의 분자들이 혼합되어 있는
Fig. 11. (a)부분적으로 h-BN encapsulating한 MoS2 FET소자의 개념도 및 광학 이미지. (b)h-BN encapsulation 유무에 따른 MoS2 소자의 시간에 따른 transport curve 안정도 비교 결과. (c) h-BN/MoS2 FET의 다양한 가스 분자 흡착에 따른 저항 변화(가스 센싱 감도) 비 교 결과.47)
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경우, 원하는 분자만을 혹은 여러 분자들을 동시에 구분 측정하는 기능 개발에 대해서는 아직 확실한 방법을 찾지 못하고 있다. 이러한 시점에 원자 층 두께임에도 불구하 고 매우 다양한 전기적, 광학적 특성을 이용해 많은 응용 연구가 활발히 진행 되고 있는 이차원 물질기반 가스센서 연구 분야에서 기존의 반도체 가스센서에서 이루지 못한 다양한 한계점들을 극복하는 결과들을 보여 주고 있는 것 을 보았을 때, 앞서 언급된 가스 분자의 선택적인 측정 성 능 역시 이차원 물질을 이용하여 곧 극복 되리라 기대하 고 있다. 이와 더불어 가스센서의 stretchable elec- tronics로의 적용에 이차원 소재의 역할이 매우 높기 때 문에 다양한 그리고 새로운 이차원 물질기반 가스센서 연 구는 지속적으로 증가되리라 예상한다.
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유 영 준
1999년 충남대학교 물리학과 학사
2001년 광주과학기술원 정보통신공학과 석사
2006년 서울대학교 물리학과 박사
2007년 서울대학교 반도체 연구소 박사 후 연구원
2011년 Columbia University 박사 후 연구원
2017년 한국전자통신연구원 선임연구원
2017년~ 충남대학교 물리학과 조교수
