김태경 우리학교 전자물리학과 교수(이하 김 교수) 연구팀이 전기 힘 현미경(Evans Blue Fluorescence Microscopy) 기술을 활용해 MoS₂ 박막을 산화해 생성한 MoO₃ 나노구조체의 국소적 유전상수 값을 시각화하는 데 성공했다. MoO₃는 약 25배란 높은 유전상수 값을 가지며 이는 기존의 SiO₂ 소재 대비 6배 이상 높은 값이다. MoO₃는 차세대 나노 전자 소자를 위한 유망한 고유전율(high-k) 유전체 소재로 주목받고 있으나 MoO₃ 나노구조체의 정확한 유전 특성은 그동안 충분히 밝혀지지 않았었다.

김 교수 연구팀은 산화 주사 탐침 리소그래피(o-SPL) 기법을 통해 MoS₂ 박막을 산화해 MoO₃ 나노구조체 어레이(array)를 제작했다. 이후 전기 힘 현미경과 유한 요소 계산(FEM) 방법을 활용해 MoO₃ 나노구조체가 높은 유전상수를 가지며 구조체 크기와 관계없이 값이 일정하게 유지됨을 입증했다. 

이 결과는 기존 나노 전자 소자에서 흔히 관찰되는 크기 의존성을 극복할 수 있는 중요한 돌파구를 제공한다. 즉 향후 MoO₃ 나노구조체가 고성능 집적 회로 및 나노스케일 절연 소재로 활용될 가능성을 열었다고 할 수 있다. 또한 연구팀은 고해상도 전자현미경(HRTEM)과 에너지 분산 X선 분광법(EDS)을 활용해 MoO₃ 나노구조체가 비정질 상태임을 확인했으며 이는 기존 비정질 MoO₃에 대한 부족한 이해를 보완하는 중요한 발견으로 평가된다.

김 교수는 “MoO₃ 나노구조체는 전자 소자뿐만 아니라 광학 및 센서 응용 분야에서도 높은 활용 가능성을 지닌다”며 “이번 연구는 나노스케일(Nano Scale) 전자 소자에서 고유전율을 갖는 새로운 나노소재의 가능성을 열어줌과 동시에 차세대 소자에서 새로운 개념의 절연체로 활용될 수 있음을 보여주며 재료 과학 분야에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 특히 이번 연구 성과는 국제저명학술지 나노 레터스(Nano Letters)에 지난 1월 13일 자로 온라인상에 게재됐으며 과학기술정보통신부 기본 연구 사업 지원으로 수행됐다.

김민서 기자 09kimminseo@hufs.ac.kr