유망한 새로운 재료인 이황화몰리브덴(molybdenum disulfide; MoS2)은 아이러니한 내재적인 문제점을 안고 있다. 이 재료의 가장 큰 장점인 단일층 두께(monolayer thickness)가 가장 큰 문제점이기도 하다.

단일층 이황화몰리브덴의 초박형 구조는 강하고 가벼우며 유연하기 때문에, 고성능 플렉서블 전자기기와 같은 많은 분야에 활용가치가 높은 물질로 만들었다. 그러나 이런 초박형 반도체 물질은, 빛을 흡수하고 발산하는 분야에서 사용되는 재료와의 상호관계가 매우 약하여 그 활용성에 제약을 받고 있다.

노스웨스턴대학 공과대학(Northwestern University’s McCormick School of Engineering) 전기공학 및 컴퓨터과학과 조교수인 Koray Aydin에 따르면, 이 재료의 문제는 단지 단일층 두께에 불과하다는 점이라고 강조하고 한다. 빛을 방출하거나 흡수하기에 적합한 재료의 양은 매우 제한적이다. 실용적으로 광학 및 광전기 분야에 이 물질을 활용하기 위해서는, 빛과의 상호작용을 증진시킬 방법을 찾아야 한다.

연구팀은 이 문제를 해결하고자 노력하였으며, 빛과 금속 간의 상호작용 연구를 위해 나노기술, 재료과학 및 플라즈모닉스(plasmonics) 분야를 통합하였다. 연구팀은 일련의 은 나노디스크(silver nanodisc)를 설계 및 제작하였으며, 이황화몰리브덴 시트의 상부에 일정한 패턴으로 나노디스크를 배열하였다. 그 결과, 나노디스크가 빛 방출을 증가시킬 뿐만 아니라, 130나노미터라는 특정한 지름에서 가장 효율적으로 기능한다는 사실을 발견하였다.

이런 플라즈모닉 구조들은 빛을 끌어당기거나 가둬둘 수 있는 능력이 있다는 것을 알고 있기 때문에, 이제 연구팀은 이 물질 위에 은 나노디스크를 위치시켜 빛 방출량을 12배 더 증가시킬 수 있었다고 박사후 연구원인 Serkan Butun은 밝혔다.

이황화몰리브덴 상에 연속적인 필름을 사용하는 것과 달리, 나노구조를 사용하는 것은 재료의 유연성과 원래 재료의 기계적 성질을 유지할 수 있도록 해 준다.

노스웨스턴대학의 재료과학 및 공학연구소(Materials Research Science and Engineering Center) 및 Institute for Sustainability and Energy의 도움을 받은 본 연구결과는, Nano letters지 3월호에 온라인으로 게재되어 있다("Enhanced Light Emission from Large-Area Monolayer MoS2 Using Plasmonic Nanodisc Arrays"). 본 연구의 제1저자는 Butun이다. 애리조나주립대학(Arizona State University) 재료공학과 조교수인 Sefaatiin Tongay는 연구에 사용된 대면적 단일층 이황화몰리브덴 재료를 제공해 주었다.

향상된 빛 방출 특성을 바탕으로, 이황화몰리브덴은 발광 다이오드(light emitting diode) 기술에 활용할 가능성이 높아졌다. 연구팀은 향후 이 재료의 빛 흡수 능력을 향상시켜 태양전지 및 광감지기에 활용할 수 있도록 동일한 방법을 적용해 볼 계획이다.

본 연구는 큰 도약을 이뤄냈지만 더욱 빛 방출량을 증가시킬 수 있는 방법이 있을 것이다. 그러나 지금까지 연구팀은 매우 얇은 재료로부터 빛의 방출능력을 향상시킬 수 있음을 실제로 보여주었다.