RPGR 학회는 서울에서 개최한 제1회 학회를 시작으로, 서울(2009), 싱가포르(2010), 수원(2011), 베이징(2012), 도쿄(2013), 타이페이(2014), 호주(2015), 한국(2016), 싱가포르(2017)에 이어 올해로 10회째를 맞이했다. 그 동안 성공적인 학회가 열렸고, 명실공히 아시아-태평양 지역에서 그래핀 및 새로운 2차원 재료에 초점을 둔 최고의 학회라고 할 수 있다. RPGR 학회는 맨 처음 실험으로 얻어진 2차원 물질인 그래핀의 물성과 그 응용에 초점을 두고 시작했고, 최근 몇 년 동안은 원자적으로 얇은 2차원 물질 가령, 붕소질화물, 층상전이금속칼코겐 화합물, 실리신, 흑린 등으로 그 주제가 확대되었다.

RPGR2018 학회는 중국 계림의 Grand Bravo Guilin (계림 대공관) 호텔에서 2018년 10월 22일부터 25일까지 4일간 오전9시부터 오후 6시까지 개최되었다. 스페인 팬텀 재단의 주관으로 개최되었고, 학회 의장은 싱가폴 국립대학교의 안토니오 카스트로 네토와 공동 의장으로 팬텀 재단의 안토니오 코레아가 맡았다. 미국, 영국, 독일, 노르웨이, 싱가포르, 한국, 중국, 일본, 대만, 인도, 호주, 브라질, 캐나다, 러시아, 스페인, 이태리 등 20개국에서 300명이 참석하였다. 영국 맨체스터 대학교의 코스티야 노보셀로브 교수의 기조연설과 11건의 키노트 발표, 32건의 초청 발표, 50건의 기여 구두 발표, 60건의 포스터 발표가 있었다. 구두 발표는 첫째 날 이후 2개의 세션으로 나눠 나란히 진행하는 방식으로 운영되었다. 포스터 발표는 구두 발표장 앞 로비에서 휴식시간과 함께 진행되어 커피와 다과를 즐기며 자연스럽게 둘러보며 토론할 수 있어서 좋았다. 학회장소인 계림 대공관 호텔은 5성급 호텔로 학회 장소로 나무랄 데 없었다. 위치적으로도 계림의 중심부에 자리하고 있어 학회일정 후 관광을 하기에도 좋은 곳이었다. 노벨상 수상자 코스티야 교수의 기조 강연의 경우 빈 자리가 없을 정도였고, 동시 통역이 제공되었으며, 방송국이 촬영하는 등 현지의 높은 관심을 엿볼 수 있었다.








첫째 날 2010년 노벨 물리학상 수상자인 코스티야 노보셀로브 교수가 기조연설을 하였다. 자신의 연구 그룹에서 수행한 2차원 소재/소자 관련 최신 연구를 발표하였다. 뿐만 아니라 ‘이걸 들으러 왔구나’ 할 정도로 2차원 소재 연구의 개관과 연구 방향을 짚어 주었다. 그래서 대가의 발표에는 사람들이 모이는구나 실감하였다.




최근 집속빔전자회절 (CBED) 패턴이 3차원 소재의 원자 위치를 3차원적으로 보여주는데 성공하였다. 이를 자유지지 2차원 결정에 활용해서 그 패턴을 통해 다양한 구조를 알아낼 수 있다. “beautiful work”라며 연구 성과를 높이 평가했다.




최근에 2차원 강자성 물질이 뜨거운 연구 주제가 되고 있다. 2차원 자성 혹은 스핀 배열에 대해서 아직 정확히 모르기 때문이다. 2차원에서 Ising 유형의 스핀에 대해서만 주로 보고 되었고, 스핀 차원이 2차원, 3차원의 경우는 아직 잘 모른다. 따라서 2차원 자성물질은 코스털리츠-사울레스 상전이의 testbed가 될 것이다.




이제는 물질 자체가 아니라 구조가 중요함을 역설하였다. 층상물질의 장점은 매우 다양한, 무한대의 이종구조 조합이 가능하고 그 만큼 다양한 물성을 가질 수 있으며, 이를 통해 각 물질이 가진 고유의 성능을 뛰어넘는 소재를 발견할 수 있다는 것이다.





북경대, 베이징 그래핀 연구소의 종판 리우 교수는 CVD 그래핀, 그 대면적 합성과 전망에 대해 발표하였다 (그림 6). 주름이 없는 기판이 고품질의 그래핀 합성에 매우 중요한 요소 임을 강조했다. 전통적인 유리를 수퍼클린 그래핀으로 대체하는데 많은 노력을 기울이고 있었다. 오염이 없는 매우 깨끗한 그래핀을 제작함으로 훌륭한 성능을 구현할 수 있음을 보여주었다.






중국과학원(CAS)의 리홍 바우 교수는 흑린과 이와 유사한 SnSe의 전자 소자와 수송 성질을 발표하였다. 순수한 흑린의 경우 p형 반도체 특성을 보이나 cross-linked PMMA 탑게이트와 SiO2 백게이트 FET를 제작하여 n/p 전도형을 조절할 수 있었다. 불안정한 흑린의 실제적인 응용 가능성에 대해서 최근에 화학자들이 안정성을 제고하는 여러 방법을 고안하고 있고, 실제적인 응용이 가능하다고 대답하였다. SnSe은 반도체로서 제일 관심 있는 것은 역시 FET 소자 특성이고 이를 발표하였다.





스페인 ICN2 연구소의 아이토르 무가르자 교수는 그래핀 나노 리본을 정렬하는 연구에 대해 발표하였다. DP-DBBA 단분자를 폴리머 중합반응을 이용해서 그래핀 나노 리본으로 합성할 수 있었고 나아가서 다공성 그래핀으로 합성할 수 있었다. Au(111) 기판 위에 잘 정렬된 그래핀 나노리본을 합성할 수 있었다. 정렬 mechanism은 정확히 알 수 없지만 기판의 dislocation 때문이라고 하였다.





광시대 자오 왕 교수는 그래핀의 초윤활(마찰이 거의 없는) 특성에 대한 분자동역학 시뮬레이션 결과를 발표하였다. 서로 직각으로 교차하는 두 개의 그래핀 나노 리본에서 위에 있는 나노리본을 위 방향으로 움직일 때 아래 나노리본은 좌우로 미세하게 진동하는데, 이를 표면의 포텐셜 에너지 분포를 통해 이해할 수 있다. 또한 CNT 모터의 회전과 미끄러짐을 시뮬레이션 하였다. 이러한 운동전달효율은 CNT의 손지기(chirality, 카이랄성)에만 의존한다. 실험적으로 CNT 회전은 자기장 등을 이용하기도 하지만 구현하기 어렵고, 시뮬레이션에선 회전축 구속조건을 이용하였다.





대련 공대 지준 자오 교수는 새로운 2차원 전자, 자성 소재 발굴을 위한 계산 결과를 발표하였다. 계산을 통해 전기적/자기적 성질이 뛰어난 2차원 소재를 디자인 하는 것과 기존 물질의 물성을 조절하는데 관심이 있다. 계산을 통해 새로운 2차원 소재 δ-Cu2S 의 안정성 및 전자 구조를 확인하였다. 그는 여러 신물질을 예측하는 계산을 Nanoscale horizon, Frontiers of Physics 등에 출판하였다. 중국 춘절 명절 때 Nature에 보고된 36개의 강자성 2차원 물질 후보(예를 들면 CrSBr)를 신속하게 계산하여 보다 자세한 특성 (높은 임계 온도 > RT)을 예측 출판하였다. 임계 온도를 더욱 조절하기 위해 여러 strain 값에 따른 물성을 조사하였다. 밴드갭 열림이 0.2 eV보다 작고 위상절연체 밴드갭이 strain에 대해 robust 함을 보고했다.





상하이 뉴욕대 문필경 교수는 뒤틀린 2층 그래핀의 준결정성 및 이를 기술하는 이론을 보고하였다. 뒤틀림 각도가 30도 일 때 12겹 준결정이 형성된다. 실험에서 합성된 뒤틀린 2층 그래핀은 ARPES 분석을 통해서 정확히 30도 뒤틀림 각을 가짐을 확인하였다. DFT 계산으로 30도 매직 각도의 에너지 안정성을 계산한 것이 아니라, Effective Hamiltonian을 이용하여 계산할 수 있다.




대만의 랜스 리 박사는 세계 최초의 반도체 전문 파운더리 회사인 TSMC사 기업 연구소 소장으로 기업에서 바라보는 2D 소재 연구에 대해 분명한 방향성을 확인시켜 주었다. 높은 이동도와 밴드갭(on/off 전류를 결정하므로 너무 크면 좋지 않다) 등이 전자 소재 결정에 중요한 요소이다. 아울러 탑 게이트 또는 바텀 게이트만으론 부족하며 듀얼 게이트로 소자를 제작해야 함을 강조했다. 또 기업에서는 2층보다 높은 2차원 소재는 정전 누수 전류가 커서 관심이 없음을 언급했다. 계산으론 PtSe2가 매우 이상적인 소재인데, vdW 상호작용이 강한 것이 문제임을 보고했다.




중국과학원의 경 리 교수는 층간 삽입 반응의 메커니즘을 발표하였다. 결함이 많을수록 층간 삽입 반응도 증가한다. 그래핀 층간에 Si이 삽입되는 반응의 메커니즘을 보고하였다. Si이 삽입되면서 처음에 헤링본 구조에서 벌집구조로 발전하고 실리신을 합성할 수 있다. 이렇게 만들어진 실리신은 공기 중에서 안정적이었다.




타입 II 바일 준금속인 WTe2로 소자를 제작해서 그 수송특성으로 바일 준금속을 확인하였다. 여기서 바일 특성을 보기 위해서 플레이크는 너무 얇아서는 안되고, 7-15nm 정도 두께가 되어야 한다. 또 ReS2 플레이크에서 흔히 발견되는 60도의 edge각도를 설명하기 위해 DFT 계산을 수행하였고, Re-chain 방향으로 그 기계적 성질이 가장 약함을 보고 하였다. MoS2의 열 안정성을 이용해서 그래핀/MoS2-xOx/그래핀 memristor를 제작, 기록상 최고의 고온 안정성을 보였다. 신물질인 b-AsP와 MoS2를 이용해 포토디텍터 제작 결과도 인상적이었다.




계림은 중국 화폐 20 위안의 배경으로 나올 정도로 중국에서 아름다운 산수로 손꼽히는 지역이다. 학회기간 줄곧 비가 부슬부슬 내려서, 공기는 맑았고 오히려 학회에 더 집중할 수 있었던 것 같다. 계림이 중국 내에서도 유명한 관광지여서 그런지 학회장 주변으로 경제적인 호텔을 어렵지 않게 찾을 수 있었다. 호텔의 서비스는 합리적이고 특히 공항셔틀버스를 무료로 또는 저렴한 가격에 이용할 수 있었다. 도로에는 차와 오토바이가 나란히 사이 좋게 다닌다. 한쪽에는 종종 눈에 띄는 고급 차, 다른 쪽에는 오토바이 ‘부대’의 대조가 인상적이었다. 학회장을 오가며 멀리 가지 않아도 계림의 상징인 산 봉우리들을 볼 수 있었다. 중국의 인터넷 사정을 몰라 걱정되었지만 인터넷은 매우 잘 되었다.

이번 학회는 전년도 싱가포르 학회에 비해 이상하게 규모가 줄었다. 한국 및 다른 지역 참가자가 줄은 것이다. 어쩌면 트럼프의 중국 제재 영향의 여파인지도 모르겠다. 어떤 분은 중국 국내 학회 같은 분위기였다고 말하기도 하였다. 사실 80%이상이 중국 연구자들의 발표이므로 그 말도 틀린 말은 아닌 것 같다. 하지만 키노트 및 초청 연사들의 발표는 대부분 네이처, 사이언스 급의 최고의 국제 저널에 출판한 결과물들이어서 그 수준이 높았다.

2차원 소재 연구는 다른 어느 분야보다 새로운 소재의 발굴 및 그 응용이 활발히 이루어지고 있는 분야이며, 이번 학회를 통해 중국 연구자들의 발 빠른 노력과 열심을 다시 한번 느낄 수 있었다. 부족하지만 이 참관기를 통해 계림 RPGR 학회를 간략하게 정리해 보았다. 내년 RPGR 학회는 10월 6일부터 10일 일본의 북서해안가에 위치한 아름다운 마쓰에에서 열린다고 한다.