[논문]2차원 원자막 전자 소재 연구 동향

이영택; 황도경

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전기전자재료 = Bulletin of the Korean institute of electrical and electronic material engineers, v.29 no.6, 2016년, pp.12 - 21

이영택 (한국과학기술연구원) , 황도경 (한국과학기술연구원)

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문제 정의

그러나 실리콘 기반의 반도체 산업은 현재 기술적 포화상태로써 (예:scale down) 큰 한계에 직면하고 있으며 이러한 문제점을 타개 하기 위해서 미국 IBM에서는 “Beyond 7 nm, Beyond Silicon” 이라는 구호로 실리콘 기술적 문제점을 해결하고, 실리콘의 뒤를 이를 새로운 반도체 기술을 개발하고자 향후 5년간 30억 달러를 투자키로 발표 하였다.
본고에서는 차세대 반도체 소재로 각광 받고 있는, 2차원 원자막 소재에 관한 연구 현황을 TMDC 및 BP를 중심으로 분석해보고, 이러한 2차원 원자막 소재의 scale up에 가장 중요한 합성법에 관한 연구 결과, 그리고 전자소자, 광소자, 최근 연구되고 있는 전기 화학 소자에 관한 응용 연구 결과를 소개하려한다.

제안 방법

대표적인 예로, 원자 층수가 감소할수록 에너지 배드갭이 증가하는 특성을 나타내며, 극단적으로 단일층을 형성하는 경우, 간접천이형 (indirect) 에너지 갭 구조에서 직접천이형 (direct) 에너지 갭 구조를 전환되는 특이한 특성을 가지고 있다. 대표적인 2차원 TMDC 소재인 MoS2의 경우 범밀도함수 이론을 통한 계산으로 이러한 특성을 잘 설명하고 있으며 (그림 4), 국내 대학의 연구진은 단일, 이중, 삼중층의 MoS₂원자막 트랜지스터를 제작 , 빛에 의한 문턱전압 이동현상을 이용한 Photoexcited charge collection spectroscopy (PECCS) 분석을 이용하여 에너지 밴드갭을 실험적으로 측정하였다 (그림 5).

후속연구

그러나 실리콘과 같은 wafer scale에서의 고품질 단결정 원자막을 얻는 데에는 아직 기술적으로 극복해야할 장벽들이 존재하는 것도 사실이다. 결론적으로, 2차원 원자막 소재에 관한 연구는 기초적인 물성부터, 합성, 응용 소자까지 전 영역에 걸쳐서 지속적이고, 체계적으로 이루어저야 할 것으로 보이며, 물리·화학·재료공학·전자공학 등 다양한 학제간 융합을 통해 더욱 발전해 나갈 것을 기대해본다
MoS2의경우 2차전지의 음극으로 사용 시, 상용화된 흑연 음극 소재보다 3배 이상의 정전용량을 보인다는 연구가 보고되면서 2차 전지의 새로운 음극 소재로 각광을 받고 있다. 또한2차 전지뿐만 아니라 슈퍼커패시터에도 적용이 가능하고, 화학 센서 소재로도 적용이 가능 하여 기존의 전자 소자나 광소자에 더불어 전기 화학 소자 부분에서도 2차원 원자막 소재를 적용한 응용 분야가 다양하게 확장될 것으로 생각되어진다

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	TMDC는 어떻게 구성되어 있고 어떤 구조를 가지고 있는가?	TMDC는 화학식으로 MX2의 형태로 M은 Mo, We과 같은 전이 금속을 나타나고, X는 칼코겐 (S, Se, or Te) 화합물을 지칭한다. 이와 같은 물질들은 한 개의 금속 원자층과 두개의 칼코겐 원자층으로 구성되어 X-M-X 형태의 단위 층을 기반으로 적층 구조를 이루고 있는데, 그 대칭성에 따라서, 육각형 대칭 (2H), 마름모계 대칭 (3R), 그리고 정방정계 대칭 (1T)로 나눌 수 있다 (그림 3).
	2차원 Van der Waals 형 반도체의 특징은?	현재 실리콘 반도체의 뒤를 이어 수많은 반도체 물질이 연구 개발 되고 있는데 그 중, 초 고속, 고성능의 특성을가지는 반도체로써 2차원 원자막 소재인, Van der Waals형 반도체가 가장 주목받고 있다. 2차원 Van der Waals 형 반도체는 단결정의 구조를 가지며, 구조적 으로 단일층 또는 다층형태의 나노시트를 구성할 수 있기 때문에 전자소자 및 광소자 연구에 적합하다. 이러한 2차원 원자막 반도체를 대표하는 물질로써 그래핀, Transition Metal Dichalcogenide (TMDC), Black Phosphorus (BP, 흑린) 등과 같은 재료들이 있다 (그림 1).
	실리콘 반도체소재/소자가 응용되는 영역은?	실리콘은 대표적인 반도체 소재로, 1960년대 상용화가 이루어진 이래, 인류 발전에 가장 큰역할을 한 놀라운 물질이라고 할 수 있다. 현재 사용하는 있는, 컴퓨터를 비롯한 각종 전자 기기의 CPU, 메모리 등 핵심 전자 부품은 물론, 디스플레의 화소 구동 소자까지 실리콘 반도체소재/소자가 응용되지 않은 영역을 찾기 힘들 정도이다. 그러나 실리콘 기반의 반도체 산업은 현재 기술적 포화상태로써 (예:scale down) 큰 한계에 직면하고 있으며 이러한 문제점을 타개 하기 위해서 미국 IBM에서는 “Beyond 7 nm, Beyond Silicon” 이라는 구호로 실리콘 기술적 문제점을 해결하고, 실리콘의 뒤를 이를 새로운 반도체 기술을 개발하고자 향후 5년간 30억 달러를 투자키로 발표 하였다.

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