2차원소재(2DLMs)

1.1 2차원소재(2DLMs)* 정의

• 원자들이 단일 원자층 두께를 가지고 평면에서 결정구조를 이루는 물질

  * Two-dimensioncal layered materials

 

(1) 장점

• 크리스탈격자구조로 매칭하지 않고 반데어발스로 매칭해도 아주 다양한 물질을 만들수 있음

(2) 단점

• 소스, 드레인의 접촉저항이 높음
• PN 도핑문제
• 문턱전압문제
• 이동도의 지역적 균질화 등

 

1.2 2차원소재 분류

• 전기적 특성에 따라 도체, 반도체, 부도체로 분류되며, 대표적으로 그래핀, 전이금속 디칼코게나이드, 흑린, 육방정계 질화붕소의 연구가 활발히 진행되고 있음

 

Lee J. Y. et al. (2016), Nanomaterials, 6(11), 193

 

 

 

A. K. Geim and I. V. Grigorieva, Nature 499, 419 (2013), F. A. Levy (Ed.), Structural Chemistry of Layer-Type Phases (Springer, 1976).

 

 

(1) 0D-2D, 1D-2D 반데르발스 이종구조

• 나노 물질결합의 새로운 패러다임
• 장점 : 넓은 밴드의 광감지기같은  많은 놀라운 소자만들 수 있음

(2) 2D-2D 구조

• 여러 2차원소재를 수직으로 쌓아서 반데어발스결합을 시킨 구조
• 장점 : 여러물질을 겹겹히 쌓아서 다양한 물질과 소자를 만들 수 있음
• 개발되고있는 소자 : tunnelling transistors, vertical field-effect transistors, pinning-free contacts, wearable and biocompatible electronics, photodetectors, solar cells, light-emitting devices(LEDs)

 

(3) 2D-3D 구조

• 일반적으로 쓰는 3차원물질과 2차원물질을 결합시킨 구조
• 장점 : 보편적인 기술

 

1.3 2차원소재의 개념 및 특징

• 그래핀의 발견 이후로 중심적으로 연구되고있음
• 원자간의 공유결합을 하고 있는형태이며, 아웃 레이어끼리는 약한 반데어발스결합*를 이룸
• 넓은 반데르발스 이종구조(vdWHs)**를 만듦, 격자를 매칭시킬 필요없음

 * 원자단위의 결합이 아닌, 분자단위의 결합

** van der Waals heterostructures, 두 가지의 2차원소재로 반데르발스 결합을 시킨 구조

 

 

(1) 그래핀(graphene)

• 육방정계결정구조(Honeycomb structure)
• 뛰어난 기계적 힘(강철보다 200배 강함), 전기적 전송력, 물리화학적 안정성 높음
• 밴드갭이 없는 semi-metal (밴드모형이 모래시계 모양의 '디랙 콘' 구조를 가짐)
• 전하 질량이 없는 것 같이 행동하여 매우 빠른 전하이동도 보임. 즉, 이동도가 높음

 

 

(2) 육방정계 질화붕소(BN)*

• 붕소와 질소가 1:1비율, 육방정계결정구조(Honeycomb structure), 그래핀과 매우 비슷한 구조
• 넓은 밴드갭(6eV) 형성, 부도체
• 붕소,질소가 강한 공유결합으로 되어있어 물리, 화학적 안정성 높음
• 그래핀과 유사하게 투명하고 유연하면서 우수한 기계적 성질
• 이상적인 그래핀의 기판으로서 적합, 탄소동소체 보다 높은 열전도성
• 합성과정에서 다양한 결함을 가짐(구멍 결함 : 삼각형 빈자리 가장자리가 질소로 이루어짐)

*Boron nitride

 

 

 

(3) 전이금속 칼코겐 화합물(TMDs)*

• 종류 : MoS2, MoSe2, WS2, WSe2 등
• 전기적 성질을 조절할 수 있고, 다양한 밴드갭으로 구성됨
• MX** : 디칼코게나이드(MX2) > 칼코겐 두 원소층 사이에 전이금속 단일 원소층이 샌드위치 되어 있는 구조
• 가운데의 전이금속 원자는 아래위로 존재하는 칼코겐 원소와 강한 공유결합을 이루고 있어 물리적, 화학적으로 안정적
•  chemical vapour deposition(CVD)로 성장
• 일반적으로 1~2eV 밴드갭, 전도띠와 가전자띠가 포물선 모양으로 표현되며, 소재의 두께에 따라 전자띠구조가 변함
• 이동도 : 100cm^2V^-1s^-1로 실리콘, 게르마늄과 비슷

 

*Transition metal dichalcogenides

**M(metal) : molybdenum, tungsten, X(chalcogenide) : sulfur황(S), selenium셀레늄(Se), tellurium

 

(4) 흑린(Black phosphorus)

• 주름진 육각 벌집(Puckered honeycomb)구조, 비등방성

1. 지그재그 방향의 전하 유효질량이 암체어 방향의 전하 유효질량 보다 10배 이상 높음
2. 전기전도성은 암채어 방향으로 우세한 반면 열전도성은 지그재그 방향으로 우세함
3. 플라즈몬 공명 주파수 역시 암체어-지그재그 방향에 따라 다르므로, 입사광의 선형 편광 방향을 조절하면 공명 주파수의 제어가 가능함

• 0.33eV(bulk)~1.5eV(monolayer) 밴드갭 조정가능하여 광소자 적용에 용이
• 이동도: ~1,000cm^2V^-1s^-1로 그래핀보다 낮고, TMD보다 높음
• 그래핀과 TMDs사이에 다리역할을 할 수 있음
• 산화 등의 문제로 대기 중에서 매우 불안정함

 

 

2.1 고품질, 대면적 소재 제작 연구

• 덩어리 물질로부터 2차원소재를 분리하는 Top-down방식과 기판 위에 결정을 성장시키는 Bottom-up 방식이 있음

 

 

(1) Top-down 방식 : 기계적 박리법, 액상 박리법

• 액상 박리법(Liquid exfoliation) 용액에 3차원소재를 넣어 층간 간격을 넓힌 후 2차원 소재를 얻는 방법

     - 장점 : 저렴한 비용으로 대량의 2차원 소재 제작 가능

     - 단점 : 박막 균일도 떨어짐, 대면적 소재 얻는데 한계, 용매 제거시 오염

 

 

 

(2) Bottom-up 방식 : 화학기상 증착법(CVD), 초고진공 에피턱시 합성법

• CVD : 고온,저압에서 안정적인 가스를 이용해 하나 이상의 휘발성 전구체를 기판에 공급한 후 전구체와 기판 표면의 화학반응을 통해서 2차원소재 성장

     - 장점 : 2차원소재의 층수 조정 용이, 웨어퍼 크기 수준 대면적 합성 가능

     - 단점 : 복잡하고 민감한 합성조건, 고품질 박막 합성 어려움

 

• 초고진공 에피턱시 합성(Ultra vacuum epitaxy) : 초고진공 상태에서 하나 이상의 물질을 기화시키고, 기화된 분자들을 기판에 공급하여 기판의 결정축을 따라서 단결정박막을 합성하는 방법 (대표적으로 MBE(Molecular Beam Epitaxy)

     - 장점 : 환경적인 요인 통제가 용이하여 고품질 박막성장 가능

     - 단점 : 고가의 장비가 필요, 합성 공정이 복잡함

 

 

 

(3) 연구 현황

• 그래핀은 대면적 제작에 성공함, 현재는 고품질의 그래핀 합성 및 시료 품질 확인을 위한 방법들 연구 중
• MoS2는 CVD 등의 방법을 이용해 4인치 크기의 균일한 소재 합성 성공
• BN은 대면적 합성 가능하지만, 결정 구조 내에 정교한 제어가 불가능한 경정 결점이 있어 연구 중 (사파이어를 기판으로 사용하여 고품질 합성)
• 흑린은 대면적 합성 기술 아직 정립 안 됨
• 최근에 2차원 자성 소재(FePS3-반강자성, [Crl3, Cr2Ge2Te6]-강자성)합성에 성공

 

2.2 기초 단계의 소재 적용연구

• (디스플레이) 디스플레이의 핵심 요소인 투명전극과 트랜지스터에 2차원소재를 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있음

• 그래핀은 투명전극으로서 적합하고, 최근 ITO에 근접하는 전류 및 밝기 효율이 보고됨
• 최근 2차원소재로만 이루어진 트랜지스터(AII-2D transistor)구현 연구 결과가 보고 됨(흑린만으로 p형 및 n형 전계 스위칭 소자, CMOS 회로구성)
• 그래핀을 이용해 용매에 따라 색깔을 바꾸는 '하이브리드 탄소 구조체' 개발 성공
• (광소자) 자외선부터 테라헤르츠파에 이르기까지 다양한 빛과 상호작용 가능하므로 광소자로서 활용범위가 넓음
• (센서 및 필터) 두께에 비해 표면적이 넓어 센서나 필터에 적함
• (배터리) 그래핀을 리튬이온전지 등의 음극재로 사용하여 충전 용량 늘리고, 충전 속도 높이는 연구 진행 중
• (초경량, 초강력 소재) 그래핀은 얇고, 가벼우면서 철강에 비견하는 강도를 가지고 있어 우주선, 우주복 등의 소재로서 주목받고 있음
• (바이오) 2차원소재를 이용해 생물과 기계를 연결하거나, 동물의 뇌 구조를 모사해 동물 실험 대체 가능성을 제시하는 연구결과들이 보고되고 있음

 

2.3 다양한 소자

• Van der Waals vertical contact for planar 2D transistors. : Two-dimensinal semiconductors(2DSCs)
• Graphene-based van der Waals vertical transistors
• Thermionic vertical transistors
• Vertical tunnelling transistors
• Non-graphene-based vertical diodes and transistors
• Light-harvesting and detection devices
• Light-emitting device

 

3. 산업동향

• 2차원소재를 이용해 양산되고 있는 상용제품은 아직 없음, 거래 되고 있는 제품은 고가의 연구용 시료가 대부분, 그래핀의 경우 여러 가지 응용제품이 출시되기 시작한 단계

• 그래핀 플레이크 원소재,중간재 생산 업체 : (미국) XG Science, Angstron Materials, (중국) Xiamen Knano, (영국) Haydale 등

 

• CVD 그래핀 응용제품을 개발하고 있는 대기업 : (미국) IBM, 록히드마틴, (한국) 삼성, (네덜란드) 필립스 등

 

• 국내 그래핀 플레이크 응용소재를 개발하는 대기업은 한화, 포스코, 일진 등이 있고, 중견 기업은 동진세미켐, 상보, 창성, 대주전자재료, 솔브레인 등이 있으며, 중소기업은 에비켐택, 월드튜브, 제이오, 우인에쓰티, 라미나 등이 있음

 

 

4. 정책동향

• 중국과 EU는 정부차원에서 전략적으로 그래핀 관련 정책을 수립하고 있음
• 한국은 [제4기 나노기술종합발전계획]에 그래핀 산업화 촉진을 위한 핵심기술확보관련 내용을 포함시킴

 

 

5. R&D 투자동향

• 중국, EU, 싱가폴은 그래핀 관련 연구를 대형 프로젝트로 집중 투자하고 있고, 이러한 프로젝트를 수행하는 연구기관들은 대부분 그래핀에서 다른 2차원 소재까지 영역을 확장하여 연구를 수행 중임
• 한국의 ’16년 2차원소재 관련 정부R&D 투자액은 683억 원으로, 전체 정부R&D 투자액(19조44억)의 0.36%에 해당함
• (연구수행주체별) ’14~’16년도 연구수행주체별 투자액 비중은 대학(50%), 출연연구소(20%), 중소기업(11%), 중견기업(10%), 대기업(8%) 순

 

6. 참조

[1] 함선영, "2차원소재", KISTEP한국과학기술기획평가원, 505호 (2018)

[2] Yuan Liu et al. "Van der Waals heterostructures and devices", Nature reviews, Vo1 (2016)

[3] 임성일, "반데르발스 2차원 반도체소자의 응용과 이슈, 한국진공학회, Vo 5 (2018)

[4] 홍석륜, "'그래핀을 넘어' 2차원 물질에 대한 연구 동향", 물리학과 첨단기술 (2016)