전이금속 원소(M) 한 개와 칼코겐 원소(X) 두 개의 원소들로 구성된 MX2 구조의 전형적인 2차원 전이금속 칼코게나이드(TMD) 물질과는 달리 2차원 야누스 칼코게나이드 물질은 두 개의 서로 다른 칼코겐 원소들이 (X,Y) 전이금속을 중심으로 서로 반대편 층에 위치한 구조로서, 마치 두 개의 얼굴을 가진 고대 로마 신 “야누스”와 같은 형태(MXY 구조)를 하고 있다. 수직 방향으로 반전 대칭성이 깨져 있어서 야누스 TMD는 독특한 양자현상을 가지는데, 라쉬바 효과, 압전효과, 2차 고조파 발진(SHG), 촉매 효과, 및 전하 수명시간 증가와 같은 현상들이 예견된 바 있어서 센서, 압전/열전 소자, 태양전지, 이온 배터리, 및 그 밖의 전기역학적 소자들에 활용될 수 있다.

이러한 독특한 양자특성에도 불구하고 그 제작 방법이 까다로워 실험으로 잘 구현되지 못했는데, 야누스 칼코게나이드를 제작하는 방법으로 현재까지 야누스 MoSSe을 제작하는, 단지 두 방법만이 알려져 있다. 그러나, 모두 CVD 선공정으로 MoS₂나 MoSe₂를 미리 증착한 후에, 후공정으로 첫 번째 방법에서는 수소 가스를 이용한 플라즈마로 MoS₂의 (MX2 구조) 윗부분 S 칼코겐 원소를 (X) 제거한 후, Se로 (Y) 치환하여 MoSSe를 (MXY) 제작하고, 두 번째 방법에서는 MoSe₂를 선 공정에서 미리 제작한 후에 850도 이상의 높은 열을 가해 위층의 Se를 S로 치환한다. 두 방법 모두 CVD로 MoS₂ 또는 MoSe₂ 단결정 박막을 별도의 공정으로 제작하기 때문에 제작공정을 복잡하게 하고, 비용을 높이고, 공정시간이 늘어날 수 있다.

본 연구에서는 별개의 사전 플라즈마 공정이나 증착 공정 없이 단지 in-situ CVD 공정으로만 처음부터 끝까지 진공의 단절 없이 하나의 공간에서 단일공정으로 진행하였으며, 증착 중 비교적 낮은 온도에서 야누스 MoSSe를 증착할 수 있는 공정 방법을 처음으로 개발하였다. 또한 본 연구에서는 여러 공정 단계로 구성되어 있고 높은 온도에서 진행되었던 기존의 방법과 비교하여, 비용과 시간을 줄일 수 있는 장점을 가진 기법을 개발함으로써, 높은 상업성과 양질의 단결정 박막을 제작할 수 있다는 가능성을 보였다.

전이금속 Mo는 통상 900도 이상의 온도에서 녹는 것으로 알려져 있으나, 소금을 이용한 공정으로 Mo의 녹는점을 750도로 획기적으로 낮추었다. 칼코겐 원소 S와 Se는 각 150도와 300도 이상의 녹는점을 가지며, CVD의 시간별 온도 조절을 통해 각 칼코겐 원소들의 녹는점을 시간별로 세심하게 조절하여 공정 과정을 세분화하였다. 먼저 단결정 MoS₂를 S와 Mo를 녹여 활성화한 후 산화 실리콘 기판 위에 증착하고, 이후 Se를 활성화시켜 기증착된 MoS₂ 위층의 S를 Se와 치환하여 단결정의 MoSSe를 최종 제작하였다. 이 과정에서 열처리 효과로 인해 MoS₂ 위층에서 S-Mo bond가 깨져 S-vacancy들이 형성되는 것을 확인하였고, 그 빈자리에 Se 원소가 채워져서 Se-Mo bond가 형성되는 것을 규명하여, MoSSe의 성장 메커니즘을 밝혔다.

단일공정 기반의 2차원 야누스 물질 제작공정의 개발은 최근에 그래핀의 대용으로 활발히 연구되고 있는 2차원 물질의 연구를 더욱 활성화 할 수 있는 기반을 마련한 것이다. 2차원 야누스 칼코게나이드 물질은 이론적으로 밝혀진 바대로, 매우 흥미로운 양자물성 및 새로운 소자 응용의 가능성에도 불구하고 재료확보의 어려움이 있었는데, 이번 성과가 2차원 야누스 물질 및 소자 연구를 촉진하는데 기여할 것으로 기대된다.

▲ 전재형 교수 연구팀은 인간 염색체 고유의 3차원 구조 안에서의 고분자 확산이 임계점에서의 확산 동역학과 유사하며 고분자의 크기가 특정값에 가까워질 때 스케일링 법칙을 따른다는 것을 발견하였다. 인간염색체 구조 안에서의 워크 디멘션은 다른 무작위 구조 안에서의 그것보다 큰 값이며 이는 염색체가 효율적인 물질의 확산 수송을 만드는 방식으로 조직화되었음을 의미한다.

인간 DNA는 대략 십억 개의 염기서열로 이루어진 유전정보 물질이다. 대략 2 m 정도의 길이인 DNA는 직경 10 μm 정도의 세포핵 안에 염색체(chromosome)의 형태로 존재한다. 생명 현상을 유지하기 위해 세포는 끊임없이 특정 유전정보가 존재하는 염기서열을 거대한 염색체 안에서 찾아야 하고, 해독된 염기정보는 여러 단백질들에 의해 메신저RNA의 형태로 세포핵 밖으로 전달된다. 이 과정은 미시적 관점에서 보면 확산(diffusion)현상에 기반한 일종의 확률과정으로 볼 수 있다. 결국 세포핵 안에서 고분자들의 확산 운동의 효율성이 세포핵 안의 정보처리과정의 효율성을 결정한다.

세포핵보다 십만 배 정도 긴 DNA가 세포핵 안에 존재하기 위해 염색체는 필연적으로 특정한 구조로 패킹되어 있어야 한다. 염색체 구조 규명은 여전히 풀리지 않은 생물학의 난제인데 FISH, Hi-C와 같은 새로운 실험 기법이 개발되면서 염색체 구조의 중요한 특징들이 최근 밝혀졌다. 흥미롭게도 염색체는 세포 주기 과정 중 대부분의 시간 동안 간기(interphase) 염색체라 불리는 스파게티같은 상태로 존재한다. 마치 실타래에서 풀려있는 실처럼 특정한 형상이 없는 상태임에도 간기염색체는 몇 가지 중요한 구조적 특성을 갖는다는 것이 밝혀졌다. 간기 염색체는 스파게티같은 상태이지만 다른 염색체끼리 섞이지 않고 각자의 영역에만 존재한다. 또한 염색체의 무작위 구조는 무작위 걸음(random walk) 모델을 따르지 않고 프랙탈 글로뷸(fractal globule)이라는 비평형 폴리머 폴링 모델에 가깝다. 무작위 걸음 모델과 비교하여 프랙탈 글로뷸의 가장 두드러진 차이점은 폴리머가 자기 반복적인 방식으로 접혀 3차원 글로뷸 구조를 형성한다는 점이다. 프랙탈 글로뷸 방식으로 패킹된 간기 염색체는 자기 반복적인 프랙탈같은 3차원 구조를 가지며 염색체 사이에 매듭(knot)이 존재하지 않는 위상기하학적 특성을 가지게 된다. 또한 실험연구에서 보고된 바와 같이 각 염색체들은 섞이지 않고 자신의 고유 영역을 갖는다.

세포핵 염색체 안에서 고분자들은 어떠한 방식의 확산운동을 할까? 염색체의 구조가 알려지지 않는 시대부터 연구자들은 형광물질을 이용하여 여러 고분자들의 확산계수(diffusion constant) 혹은 비정상확산(anomalous diffusion)의 확산지수(anomalous exponent)를 측정하였다. 이 실험 결과들은 전통적으로 무작위 방식으로 공간에 장애물을 채운 퍼컬레이션(percolation) 안에서의 입자의 확산 모델을 바탕으로 해석되었다. 그러나 관측된 고분자 확산현상은 세포 타입, 고분자 종류, 고분자의 세포핵에서의 위치에 따라 다른 동역학 패턴을 보여주었으며 퍼컬레이션 모델로 이를 간과하였다.

포스텍 전재형 교수팀은 염색체의 3차원 구조와 그 안에서의 입자의 확산 사이의 관계를 이론적으로 조사하였다. 간기 염색체를 프랙탈 글로뷸 모델로 전산모사하고 그 안에서 입자의 확산 운동을 입자의 크기를 변화시켜가면서 시뮬레이션하였다. 염색체의 3차원 구조의 영향을 비교 분석하기 위해 무작위 걸음 모델과 퍼컬레이션 모델에서의 입자의 확산현상도 같은 방식으로 시뮬레이션하여 연구하였다.

전재형 교수팀의 연구에 의하면 세포핵 안 고분자의 확산 성질은 일반적으로 고분자의 물리적 크기와 염색체의 3차원 구조에 의해 결정된다. 염색체의 구부림 지속길이보다 크기가 눈에 띄게 작거나 크게 되면 각각 자유 확산과 속박 확산 운동을 한다. 이 두 극단 사이에 존재하는 많은 고분자의 경우 일반적으로 비정상확산운동을 하게 되며 입자의 크기가 특정 임계값에 가까워지면 임계점에서의 확산현상과 매우 흡사한 비정상확산운동을 진행한다. 전재형 교수팀은 고분자 입자의 염색체 내 확산 동역학이 임계크기 근방에서 보편적(universal) 스케일링 관계를 따르는 것을 발견했으며, 스케일링 이론으로부터 동역학적 임계지수인 고분자의 워크 디멘션(walk dimension)을 추출하였다. 놀랍게도 프랙탈 글로뷸 안에서의 워크 디멘션은 다른 무작위 구조체 안에서의 그것보다 유의미하게 큰 값임을 발견했다. 그리고 이는 염색체 안의 미로구조가 네트워크 연결망 관점에서 위상기하학적으로 특별하고 효율적으로 연결되어 있기 떄문임을 밝혀냈다. 결국 인간 염색체 고유의 3차원 구조는 그것의 생명 활동을 효율적으로 수행할 수 있도록 조직화되었음을 유추할 수 있다.