동국대학교 지능형 소재 및 소자 연구실에서는 기존 소재보다 훨씬 작은 나노미터 단위의 저차원 소재를 집중적으로 연구하고 있습니다. 물질의 크기가 수십 나노미터 수준으로 작아지면 기존의 덩어리 형태인 벌크 상태와는 전혀 다른 새로운 양자 효과가 나타나기 때문입니다. 이러한 저차원 소재를 설계하고 기능을 부여하기 위해서는 소재의 물성을 정확하게 분석하고 이해하는 과정이 반드시 선행되어야 합니다. 연구실은 분석 이해를 바탕으로 최적화된 소자 응용 기술을 개발하는 데 주력하고 있습니다.

연구 현장에서는 이황화몰리브덴(MoS2)과 같은 2차원 나노 반도체를 합성하기 위해 특수 용광로인 퍼니스를 사용합니다. 알루미나 보트에 시료를 담아 고온에서 합성된 이 소재들은 플렉서블 트랜지스터나 광 메모리, 광디텍터 등 차세대 전자 소자의 핵심 재료로 활용됩니다. 특히 기존의 딱딱한 반도체와 달리 플렉서블한 특성을 가질 수 있어 미래 웨어러블 기술의 폭을 넓혀줍니다. 이러한 첨단 소재의 탄생은 정밀한 공정 제어와 물성 분석의 유기적인 조화 속에서 이루어집니다.

소재 분석의 핵심 장비인 국산 공초점 라만 분광기는 빛의 산란 현상을 이용해 물질의 진동수를 측정합니다. 단색광이 시료에 닿아 반사될 때 에너지가 보존되지 않고 변하는 '라만 효과'를 활용하여 아주 작은 영역의 물리적 성질을 3차원으로 분석해냅니다. 이 장비는 외산 대비 가격 경쟁력이 뛰어날 뿐만 아니라, 국내 엔지니어와의 긴밀한 협력을 통해 연구 목적에 맞게 장비를 신속하게 개조하거나 기능을 추가할 수 있다는 강력한 장점을 지니고 있습니다. 이는 연구의 자율성과 효율을 극대화하는 요소입니다.

인위적인 외부 환경 변화에 따라 소재의 물성 변화가 어떻게 일어나는지 실시간으로 관찰할 수 있는 시스템입니다.

연구진이 주목하고 있는 이산화바나듐(VO2)은 특정 온도 조건에서 성질이 완전히 바뀌는 '상전이' 물질입니다. 평소에는 전기가 흐르지 않는 절연체 상태이지만, 온도가 약 68도에 도달하면 결정 구조가 변하면서 갑자기 전기가 잘 통하는 금속으로 변합니다. 이러한 현상을 보이는 물질을 강상관 물질이라고 부르며, 외부 온도 변화에 따라 물리적 특성이 극적으로 전환되는 것이 특징입니다. 이는 마치 초전도체가 임계 온도에서 저항이 사라지는 현상과 비견될 만큼 흥미로운 물리적 특성입니다.

이산화바나듐의 상전이 특성은 일상생활에서도 유용하게 활용될 수 있습니다. 예를 들어 건물 창문에 이 소재를 코팅하면 온도가 올라갈 때 자동으로 색이 변하며 태양열을 차단하는 스마트 윈도우가 가능해져 냉방 에너지 효율을 획기적으로 높일 수 있습니다. 연구팀은 융복합 물성 분석 시스템을 활용해 아직 밝혀지지 않은 물리적 요인들이 상전이에 미치는 영향을 지속적으로 탐구하고 있습니다. 미지의 영역을 개척하여 세계적인 학술지에 우수한 성과를 내겠다는 이들의 열정은 국내 과학 기술 발전을 견인하고 있습니다.