현대의 과학기술에서 모든 전자 기기에 반드시 들어가는 부품 중의 하나가 반도체이다. 실리콘을 기본 재료로 하여 만드는 실리콘 반도체의 한계 점으로 인하여 새로운 반도체 재료를 개발할 시점이 다가오고 있다.
반도체가 너무나 작아지고 얇아지다 보니까 전자들이 이리저리 부딪치기 간섭이 시작되는 상황이다. 그런데 이차원 물질로 대체하면 이러한 문제들을 극복할 수 있게 된다. 그래서 이번 글에서는 이차원 물질과 이차원 반도체에 관하여 탐구하고자 한다.
이차원 믈질과 이차원 반도체
이차원 물질은 한 두 개의 원자 층으로 이루어진 매우 얇은 물질로 그 두께가 몇 나노미터에 불과한 신소재로써, 전자가 더 높은 에너지 준위로 이동하는 흥분 상태가 두께 방향으로 제한되어 있는 특성을 가진다.
이러한 제한으로 인해 이차원 물질은 독특한 전기적, 광학적, 기계적 성질이 독특하게 나타나는 특징을 갖는다. 가장 유명한 예는 그래핀(graphene), 전이 금속 칼코겐화물(transition metal dichalcogenides, TMDCs), 검은 인(black phosphorus) 등이 있다.
또한, 전기 전도도가 구리보다 100배 이상 좋고 다이아몬드보다 열전도율은 두 배 높으며 강철보다 200배 단단하고 탄성이 좋아서 잘 휘어지는 성질을 가지고 있다.
이차원 반도체(2D 반도체)는 이차원 물질이 갖는 전기적 광학적 기계적 성질을 이용하여 만든 반도체를 말한다.
이차원 반도체의 종류와 구조적 성질
종류
그래핀(Graphene)
그래핀은 탄소 원자가 허니컴 구조(벌집 구조)를 이루며 한 층으로 연결된 이차원 물질이다. 매우 뛰어난 전기 전도성, 열 전도성, 강도를 자랑하며, 이러한 특성 때문에 미래의 전자기기, 에너지 저장 장치, 나노 복합재료 등 다양한 분야에 응용될 잠재력을 지니고 있다.
전이 금속 칼코겐화물(TMDCs)
TMDCs는 전이 금속(M)과 칼코겐 원소(S, Se, Te)가 결합하여 이루어진 화합물로, MX2 형태( M은 전이 금속, X는 칼코겐 원소)의 화학식과 샌드위치 구조를 가진다. 이 물질들은 밴드갭이 존재하여 반도체 특성을 보이며, 두께에 따라 전기적 및 광학적 특성이 변화한다는 특징을 가진다. 따라서, 트랜지스터, 광전소자, 센서 등에 활용될 수 있다.MoS2
검은 인(Black Phosphorus)
검은 인은 여러 층의 인 원자가 이루는 이차원 물질로, 그래핀이나 TMDCs와는 다른 구조적 특성을 갖는다. 이 물질은 이방성을 가지고 있어, 전기 및 열 전도성이 방향에 따라 다르게 나타난다. 또한, 조절 가능한 밴드갭을 가지고 있어, 전자기기에서의 응용 가능성을 탐구 중이다.
이차원 반도체들은 높은 표면적 대비 부피 비율로 인해 표면 반응성이 높고, 양자 감금 효과로 인해 전자적 성질이 향상되며, 기계적 유연성이 뛰어나 다양한 응용 분야에서의 활용이 기대된다.
이러한 물질들의 연구와 개발은 더 작고, 더 빠르며, 더 효율적인 전자 기기의 개발로 이어질 수 있다는 점에서 매우 중요하다.
구조적 성질
이차원 구조에서는 전자가 평면 내에서만 자유롭게 움직일 수 있으며, 이로 인해 양자적 성질이 더욱 두드러진다. 이는 밴드갭과 전기 전도성에 영향을 미친다.
또한, 이차원 반도체의 높은 표면적 대비 부피 비율은 표면에서의 반응성을 증가시키며, 센서와 같은 응용 분야에서 유용하다.
게다가 이차원 반도체는 유연하며, 이는 휘어지거나 접히는 전자 기기에 응용될 수 있다.
그리고 이차원 반도체는 두께와 적층 방식에 따라 그 성질을 조절할 수 있어, 맞춤형 전자 및 광학 소자 개발에 중요하다.
이차원 반도체는 이러한 독특한 구조와 특성으로 인해 나노 전자 과학, 광학, 에너지 저장 및 전환 기술 등 다양한 분야에서 혁신적인 응용 가능성을 제공한다.
이차원 반도체의 응용
이차원 반도체의 응용은 그들의 독특한 구조와 뛰어난 물리적, 전기적, 광학적 성질 덕분에 매우 광범위하며, 다음과 같은 분야에서 혁신적인 발전을 가능하게 한다.
전자기기
이차원 반도체는 기존의 실리콘 기반 트랜지스터보다 더 얇고, 더 빠른 전자 이동 속도를 제공한다. 이는 더 높은 속도와 낮은 전력 소모의 전자기기를 가능하게 하며, 더 작고 효율적인 집적회로의 개발로 이어질 수 있다.
이차원 반도체는 매우 얇고 유연하여, 접거나 휘어지는 플렉시블 디스플레이, 웨어러블 기기, 스마트 섬유 등의 개발에 이상적이다.
에너지 저장 및 변환 장치
이차원 반도체는 높은 광흡수율과 조절 가능한 밴드갭으로 인해, 고효율의 태양전지 개발에 활용될 수 있다. 특히, 투명하고 유연한 태양전지의 개발이 가능하다.
이차원 물질은 높은 표면적으로 인해 에너지 저장 장치의 성능을 개선할 수 있다. 이들은 더 빠른 충전 시간, 더 높은 에너지 밀도, 더 긴 수명을 가진 슈퍼커패시터와 배터리의 개발에 기여할 수 있다.
센서 및 바이오메디컬 응용
이차원 반도체의 높은 표면 반응성은 각종 화학물질, 바이오 마커, 환경 변화 등을 민감하고 정확하게 감지할 수 있는 센서의 개발로 이어진다. 이는 환경 모니터링, 질병 진단, 식품 안전 검사 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다.
이차원 반도체는 생체 호환성과 조정 가능한 표면 특성을 지니고 있어, 약물 전달 시스템, 생체 임플란트, 조직 공학 등의 분야에서 응용될 수 있다. 특히, 타겟 약물 전달과 생체 모니터링 시스템의 개발에 중요한 역할을 할 수 있다.
광학 및 포토닉스 응용
이차원 반도체는 조절 가능한 광학 특성을 갖고 있어, 레이저, LED, 광센서 등 다양한 광전자 소자의 개발에 활용될 수 있다. 이는 통신, 디스플레이 기술, 고성능 센서 개발에 기여할 수 있다.
이차원 반도체의 응용은 아직 초기 단계에 있으며, 실제 상용화를 위해서는 물질의 합성, 대량 생산, 장치 통합 등에 관한 많은 기술적 도전과제가 남아 있다. 그러나 이차원 반도체의 독특한 특성과 잠재력은 계속해서 연구자들의 관심을 끌며, 미래의 과학 기술에 혁신을 가져올 것으로 기대된다.
이차원 반도체가 극복해야 할 문제점
이차원 물질은 원자 한 층으로 두께가 매우 얇아 반도체 소자를 고도로 집적화 할 수 있는 장점이 있을 뿐만 아니라, 실리콘에 비해 전하 이동 속도가 매우 커서 빠른 스위칭 등의 우수한 소자 성능을 보일 가능성을 가지고 있다.
그러나 실리콘 반도체에 비해 전기적 특성을 제어하기 어려워 실리콘 소자에 필적하는 소자 특성을 구현하기가 어렵고 반도체의 특성을 제어하기 위해 필수적인 도핑을 이차원 반도체에 적용하는 연구가 많이 진행되고는 있으나 그 방법이 아직 확립되어 있지 않다.
뿐만 아니라 이차원 반도체와 금속 간의 접합에서 오믹 전극 형성이 어려우며, 소자의 성능을 저하시키는 원인이 되는 페르미 준위 고정 문제도 해결해야 한다.
이차원 반도체의 최근 연구 성과
한국과학기술연구원(KIST)은 이차원 반도체를 위한 새로운 초박막 전극 소재(Cl-SnSe₂)를 개발했다고 한다. 이 소재를 써서 전기적 특성을 자유롭게 제어할 수 있는 이차원 반도체 기반 전자소자 및 논리소자를 구현했다.
KIST 광전소재연구단 공동 연구팀은 이차원 전극 물질인 염소(Cl)가 도핑된 셀렌늄화주석(Cl-SnSe₂)을 활용, 반도체 전자소자의 전기적 특성을 선택적으로 제어하는데 성공했다.
기존 이차원 반도체 소자는 페르미 준위 고정 현상으로 인해 N형 또는 P형 소자 중 하나의 특성만 보여 상보성 논리회로 구현이 어려웠다.
반면 연구팀이 개발한 전극 소재를 이용하면 반도체 계면과의 결함을 최소화해 N형과 P형 소자 특성을 자유롭게 제어할 수 있다. N형과 P형 소자를 별도 제작할 필요 없이 하나의 소자에서 두 가지 기능을 모두 수행하는 것이다.
연구팀은 이렇게 개발한 소자를 통해 NOR(노어), NAND(낸드) 등 서로 다른 논리 연산이 가능한 고성능·저전력 상보성 논리회로를 구현했다.
연구에서 구현된 이차원 반도체 전자 소자의 구조와 전자 현미경 사진. 전극과 반도체 계면에서 결함이 없음을 확인할 수 있다.
연세대 교수 연구팀은 이차원 반도체가 표면에 반데르발스 결합을 형성하는 특성에 착안해 반도체와 금속 접합면의 저항 문제를 해결했다.
반데르발스 물질은 약하게 층층이 결합된 구조를 가진 물질이다. 한 층을 떼어내거나, 다른 종류의 층들을 쌓아 새로운 성질의 물질로 만들기 쉽다.
이같은 특성으로 인해 이차원 반도체는 금속과 화학적 결합을 억제할 수 있어 결함 형성을 최소화할 수 있다는 점을 이용했다. 계면에 화학적 결합이 없으면서도 금속과 접촉할 경우 금속 원자들의 충돌을 완화하는 완충 층을 새롭게 고안했다.
또 금속층 형성 후 간단하게 완충층을 제거하는 방법을 확보해 이상적인 금속-반도체 계면을 형성했다. 이를 이용하면 금속 접촉 특성을 조절해 다양한 반데르발스 표면 특성을 갖는 2차원 반도체의 n형 및 p형 소자 개발이 가능하다.
마무리
이차원 반도체는 최근 몇 년간 연구와 기술 발전의 중심에 서 있다. 이들은 전자기기의 성능을 혁신적으로 향상시킬 잠재력을 지니고 있다. 특히, 그래핀, 전이금속 칼코겐화물(TMDs), 검은 인(블랙 포스퍼러스)과 같은 물질들이 주목을 받고 있다.
이들 물질은 뛰어난 전기적, 기계적, 열적 성질을 가지며, 미래의 전자, 광학, 에너지 저장 및 전환 기기에 광범위하게 응용될 것으로 기대된다.
이차원 반도체의 가장 큰 장점 중 하나는 그들의 얇은 두께 때문에 양자 터널링과 같은 양자 효과를 이용할 수 있다는 것이다. 이로 인해 전자기기의 소비 전력을 크게 줄이면서도 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 유연성과 투명성 덕분에 차세대 플렉서블 디스플레이, 웨어러블 기기, 심지어는 투명 전자기기에도 활용될 수 있다.
하지만, 이차원 반도체의 상용화는 아직 몇 가지 기술적 도전 과제를 극복해야 한다. 대량 생산, 높은 품질의 물질 합성, 장치 통합 기술의 발전이 필요하다. 이러한 문제들을 해결하기 위한 연구가 전 세계적으로 활발히 진행 중이다.
미래 전망을 보면, 이차원 반도체는 다양한 산업 분야에서 혁신을 가져올 것으로 예상된다. 특히, 고성능 컴퓨팅, 센서, 에너지 저장장치, 그리고 나노전자학 분야에서의 응용이 기대된다. 더욱이, 인공 지능, 사물 인터넷(IoT), 자율 주행차와 같은 첨단 기술의 발전에 중요한 역할을 할 것이다.
결론적으로, 이차원 반도체 기술의 미래는 매우 밝다. 그러나 이를 실현하기 위해서는 더 많은 연구와 기술 개발이 필요하다. 지속적인 투자와 협력을 통해, 이차원 반도체는 우리의 일상생활과 산업에 혁명적인 변화를 가져올 것이다.