이관형 교수 연구실은 나노스케일 2차원 소재의 성장과 그 응용에 있어 세계적인 선도 연구를 수행하고 있습니다. 특히, 전이금속 칼코겐화합물(TMDs)과 그래핀, 2D 옥사이드 등 다양한 저차원 소재의 대면적 합성과 구조 제어에 집중하고 있습니다. 최근에는 하이포택시(hypotaxy)라는 혁신적인 성장법을 개발하여, 기존 에피택시 방식의 한계를 극복하고, 기판의 종류와 상관없이 웨이퍼 스케일의 단결정 2D 소재를 직접 성장시키는 데 성공하였습니다. 이 방법은 그래핀 등의 2D 템플릿 위에 금속을 증착한 후, 황화 또는 셀레늄화 과정을 거쳐 TMD 단결정을 형성하는 것으로, 다양한 기판에서 두께 조절이 자유로운 고품질 단결정 박막을 구현할 수 있습니다. 이러한 성장법은 기존의 전이금속 칼코겐화합물 합성에서 필연적으로 발생하던 후처리(transfer) 공정의 문제점, 두께 및 크기 제어의 어려움, 기판 제한성 등을 근본적으로 해결합니다. 실제로 4인치 단결정 MoS2 웨이퍼를 구현하였으며, 이 소재는 높은 열전도도와 이동도를 보여 차세대 반도체 및 집적회로에 적용될 수 있는 기반을 마련하였습니다. 또한, 하이포택시 기술은 MoS2뿐 아니라 MoSe2, WS2, WSe2 등 다양한 TMD 소재로 확장 가능하며, 저온 공정과 백엔드 집적 공정에도 적합하여 산업적 활용성이 매우 높습니다. 이 연구는 단순한 소재 합성을 넘어, 2차원 소재 기반의 집적회로, 논리소자, 메모리 소자 등 차세대 전자·광전자 소자의 대량생산과 상용화에 결정적인 역할을 할 것으로 기대됩니다. 하이포택시 성장법은 전 세계적으로 주목받는 혁신적 기술로, 국내외 학계 및 산업계에서 큰 반향을 일으키고 있습니다.

본 연구실은 2차원 소재의 특성을 극대화하기 위해 반데르발스 헤테로구조(van der Waals heterostructure) 설계 및 소자화에 집중하고 있습니다. 그래핀, TMDs, hBN 등 다양한 2차원 소재를 적층하여 새로운 물리적 현상과 기능을 구현하고, 이를 바탕으로 차세대 전자·광전자 소자를 개발합니다. 예를 들어, 그래핀과 MoS2, WSe2 등 다양한 소재를 조합하여 유연하고 투명하며, 고성능의 트랜지스터, 광검출기, 발광 소자, 논리소자, 신경모방 소자(뉴로모픽) 등을 제작하고 있습니다. 특히, 반데르발스 헤테로구조를 이용한 전자 소자는 기존 실리콘 기반 소자와 달리 원자 단위의 계면 제어가 가능하여, 계면 결함이 적고, 이동도 및 신뢰성이 뛰어납니다. 또한, 전기적·광학적 특성을 정밀하게 조절할 수 있어, 논리-인-메모리(logic-in-memory), 시냅스 소자, 인공 뉴런 등 인공지능 하드웨어 구현에 적합한 플랫폼을 제공합니다. 최근에는 2차원 소재 기반의 M3D(Monolithic 3D) 집적, 대면적 패터닝, 저항변화 메모리, 플렉서블/투명 소자 등 다양한 융합 연구도 활발히 진행 중입니다. 이와 더불어, 2차원 소재의 계면 특성, 결함, 표면 기능화, 페이즈 엔지니어링 등 소재의 근본적 특성 제어를 통해 소자의 성능을 극대화하고, 새로운 양자현상(모아레 패턴, 위상전이, 초전도 등)과 광학적 현상(엑시톤, 트라이온 등)을 활용한 혁신적 소자 개발에도 앞장서고 있습니다. 이러한 연구는 차세대 반도체, 광전자, 에너지, 바이오 등 다양한 산업 분야로의 확장 가능성을 보여주고 있습니다.