2D 소재의 혁신: 그래핀, TMD, h-BN의 특성 및 응용 탐구

북일고등학교

채호진, 김예성, 최민기, 박상준

양주원, 이선재, 박정민, 장래민

Abstract

북일고등학교

본 연구는 2차원(2D) 나노소재인 h-BN(hexagonal boron nitride), TMD(transition metal dichalcogenide), 그리고 그래핀의 구조적, 전기적, 광학적 특성을 탐구하고 그 응용 가능성을 고찰한다. h-BN은 큰 밴드갭을 가진 절연체로, 그래핀 및 TMD와의 이종구조 형성 시 성능 향상에 기여한다. TMD는 조절 가능한 밴드갭을 가져 다양한 전자소자 응용이 가능하며, 특히 MoS2, WSe2 등이 주목받고 있다. 그래핀은 뛰어난 전기 전도성과 기계적 강도로 인해 다양한 분야에서 응용되고 있다. 이들 물질의 합성 방법, 물리화학적 특성, 그리고 이종구조 형성을 통한 성능 향상 방안을 탐구한다. 이러한 2D 물질들의 특성과 응용 가능성에 대한 연구는 미래 전자소자, 에너지 저장 장치, 센서 등 다양한 분야의 기술 혁신에 기여할 것으로 기대된다.

목차

1.서론

2.본론

2.1. TMD (전이 금속 디칼코게나이드)

2.1.1. TMD 소재의 반도체 특성

2.2. 그래핀

2.2.1. 그래핀의 구조와 특성

2.3. 그래핀의 활용 분야

2.3.1. 전자 소자

2.3.2. 에너지 저장 장치

2.3.3. 바이오 및 의학

3.결론 및 제언

4.참고문헌

Ⅰ		서론

이 연구는 2차원(2D) 소재 중에서도 그래핀, 전이금속 디칼코게나이드(TMD), 육방정계 질화붕소(h-BN) 등의 물질을 다루며, 각 소재의 고유한 물리적 특성과 이를 활용한 다양한 응용 분야에 대해 고찰한다. 전이금속 디칼코겐 화합물(Transition Metal Dichalcogenide, TMD)은 그래핀의 뒤를 이어 주목받는 차세대 소재로 그래핀, TMD, h-BN은 전자기기, 에너지 저장장치, 환경 기술 등 다방면에서 혁신적인 발전을 가능케 한다.  본 논문은 그래핀과 TMD의 기본 특성을 탐구하고, 두 소재가 가진 차이점을 기반으로 TMD의 응용 가능성과 연구 방향성을 제시하고자 한다.

Ⅱ		본론

TMD

그래핀과 전이금속 디칼코겐 화합물(Transition Metal Dichalcogenide, TMD)는 원자 수준의 두깨를 가진 2차원 소재들로서, 뛰어난 물리적, 화학적 특성을 가지고 있다. TMD는 전이금속 한 개와 칼코겐 원소 두 개가 결합하여 형성한 형태를 의미하는데, 이때 전이금속은 3족에서 12족까지의 원소를 의미하며, 칼코겐원소는 16족 원소를 말한한다. 필자는 TMD가 그 구성 원소에 따라 금속, 초전도, 또는 반도체 특성을 나타낸다는 점에서 착안하여 TMD의 활용도가 매우 높다고 판단했다. TMD의 전기적 특성은 1.8eV~1.9eV의 밴드갭을 형성한다는 것인데, 층이 늘어날수록 벌크 상태의 밴드갭으로 감소하는 특성을 보인다. 벌크 상태의 밴드갭은 다른 이중층, 단일층 등에 대해서 직접 천이에서 간접 천이 방향으로 이동한 결과이다. 즉, 다른 층들에 비해 수직한 정도가 낮다는 것을 의미하는데, 이는 곧 C.B.M과 V.B.M이 일치하지 않다는 것이다. 간접 천이, 즉 빛과의 상호작용이 어려운 단계에서는 그 에너지 갭이 약 1.2eV~1.3eV가량 된다. 이러한 전기적 특성은 TMD의 활용도 측면에서 그 잠재력을 강조하는 또 하나의 근거가 된다. 다시 말해, 기존 반도체 소재에 비해 우수한 전기적 성능과 광학적 특성을 제공할 뿐만 아니라 원자 단위의 얇은 층으로 구성되어 있어 뛰어난 유연성과 함께 높은 전하 이동도를 가지고 있다. TMD 반도체 기술의 연구와 개발은 세계적인 반도체 시장에 큰 변화를 가져올 것으로 예상되며 특히 고성능, 고효율, 저전력 소모의 기술적 요구사항을 충족시킬 수 있는 잠재력을 지니고 있다. 2차원 소재들 중 가장 상용화 돼 있는 것은 그래핀이다. 하지만 현재 연구 동향은 TMD에 초점이 맞춰지고 있다. 그 이유에 대해 살펴보자면, 앞서 제시한 것과 같이이 TMD는 밴드갭의 조절이 가능하다. TMD는 원소의 조성에 따라 조절 가능한 에너지 밴드 갭을 가지고 있다. 이는 반도체 소자로서 매우 중요한 특성으로, 전자 소자 및 광전자 소자에서 특정 응용에 맞게 최적화할 수 있다. 반면, 그래핀은 본질적으로 밴드 갭이 없어 전류를 차단할 수 없다. 앞서 설명했듯이 TMD는 주로 반도체로 사용되며 전류의 흐름을 조절할 수 있게 해준다. 반면 그래핀은 금속적 성질을 가지고 있어 전류를 쉽게 흐르게 하지만, 스위칭 기능이 부족하다.  이로 인해 TMD는 트랜지스터와 같은 응용에서 더 적합하다.

2.선정한 소재의 특성에 기반하여 활용할 수 있는 분야를 제시해보자. (ex.전자기기,의료기기,환경기술등)해당분야에서 소재가 어떻게 활용될 수 있는지 위의 응용 분야설명에 제시된 사진들처럼 다이어그램으로 표현해보자. 디바이스에서어떤기능을위해소재를활용했는지설명해보자.

-> 활용 분야 1 : 리튬이온전지 및 슈퍼 커패시터

- TMD를 활용하면 리튬 이온 전지에서 빠른 리튬 확산 효율을 가능하게 하며, 우수한 전도성을 바탕으로 활용 가능하다고 보았다. 또한 슈퍼 커패시터에서의 전극으로서 사용될 수 있다고 보았는데, 이는 전체적으로 전지 및 전극에서의 저장 성능의 향상을 이루고 수명을 늘리며, 충전 속도를 빠르게 하기 위한 방안이다. 우선 리튬이온전지에서의 양극에서 TMD를 이용할 경우, 기존 리튬이온전지의 양극에서 주로 활용되던 흑연의 역할을 더 효과적으로 수행할 수 있어야 한다. 따라서, 리튬 이온을 저장하는 데 용이해야 하는데, 이때 TMD는 저장 단계에서의 전도성을 강화하거나, 리튬 확산을 방지하며 저장 효율을 높이는 데 기여할 수 있다. 이에 적용 가능한 대표적인 TMD의 종류로는 이황화 몰리브덴(MoS₂)이 있다. 또한, 전기 전도도의 안전성과 전류 밀도를 높이는 데에 기여할 수 있는 대표적 TMD로는 셀렌화 몰리브덴(MoSe₂) 및 셀렌화 텅스텐(WSe₂)이 있다. 슈퍼 커패시터의 전극에서도 위와 마찬가지로 TMD를 활용할 수 있다. 슈퍼 커패시터의 전극에서는 고용량의 에너지를 저장하는 것이 용이해야 한다는 점, 에너지 밀도를 높일 수 있어야 한다는 점 등에서 TMD를 활용할 수 있는 분야라고 보았다. 이는 TMD를 통해 슈퍼 커패시터의 전극에서의 표면적을 넓힘으로서 기존보다 더 많은 양의 전하를 저장할 수 있도록 할 수 있다는 점에서 착안하였다. 이러한 면에서 가장 적합하다고 생각한 TMD는 이황화 텅스텐(WS₂)이 있다. 이는 고속 충방전의 상황에서 매우 유리하며, 안전성을 보장할 수 있는 TMD라는 점에서 슈퍼 커패시터의 목적과 그 활용에 있어서 성능 및 효율 향상에 긍정적인 영향을 줄 것이라 생각했다.

->활용 분야 2 : TMD소재 반도체

TMD는 황(S), 셀레늄(Se), 텔레늄(Te) 등 칼고겐 화합물과 전이금속으로 이뤄진 물질로서우수한 물리적 및 전기 특성을 지닌 것으로 평가받고 있다. 그래핀, 흑린 등과 함께 차세대 반도체 소재로서 모습을 보인다. TMD 소재들로는 그래핀 외에 전이금속 산화물, 황화물, 셀렌화물 등의 전이금속 칼코겐 화합물과 질화붕소(BN) 등이 있다. 전이금속 칼코겐화합은 의 화학식으로 나타내는데, M은 전이금속원소, X는 칼코겐 원소로서 서로 공유 결합을 하고 있다. TMD 소재들은 구성 원소에 따라 금속, 초전도, 또는 반도체 특성을 나타내며, 그 중 반도체 특성을 나타내는 소재들은 황화물과 셀렌화물, 텔루륨화물 등이 있다.

위 그림은 대표적인 이차원 TMD 소재인 MoS2의 구조적 특징을 잘 보여주는 화학적 구조도로, 구성 원자 간에 매우 강한 공유결합을 유지하는 각 층들이 층 간에는 약한 반데르발스 결합을 하는 층상구조를 가지고 있다. 한 층 또는 수 층 이내의 극초박막 형태의 이차원 반도체는 기존의 두꺼운 층 또는 벌크 형태의 반도체들과 구별된다. 원리적으로 구성 원자들과 이차원적인 상호작용만 하므로 캐리어들의 수송이 통상적인 박막이나 벌크와는 매우 달리 탄도 수송 양상을 나타내며, 이로부터 기대되는 특성이 고이동도, 고속, 저전력 등이다. 특히 고이동도와 저소비전력 반도체 소자로서 만이 아니라 반도체 층의 두께가 수 nm 이내이므로 투명하고 유연한 특성이 큰 장점이 될 수 있다. 또한, 벌크 또는 통상적인 두께의 박막 상태에서 간접천이 특성을 나타내던 소재가 단일 층 또는 수 층 이내의 두께로 제조하면 직접천이 특성을 나타내며, 광반응성이 우수하여 광전소자에의 활용도 가능하다. 그래서 MoS2을 비롯한 TMD 소재들이 차세대 전자소자에 크게 활용되고, 최종적으로는 실리콘 반도체를 대체할 수 있다.

하지만 TMD는 2가지 원소로 구성되어 있어서 구조적인 대칭점이 중심 아닌 가장자리에 위치하기 때문에, 반도체 기판에서 성장한 단결정이 균일하게 정렬시키는 것이 어렵다는 단점을 가지고 있다. 이에 지속적인 계발을 통해 독특한 대칭구조를 가진 TMD 맞춤형 기판을 선택하는 원리인 ‘이중결합 유도 에피택셜 성장법’이 계발되었다. 가장자리에서 결정 알갱이들은 점점 성장해 최종적으로 기판과 동일한 크기 대면적 단결정을 이룬다. 이와 같은 방식으로 이황화몰리브덴(MoS2), 이셀레늄화텅스텐(WSe2), 이셀레늄화몰리브덴(MoSe2) 등의 TMD를 2인치 웨이퍼 크기로 제작하였다. TMD에는 2차원 반도체 물질의 접촉저항 문제 역시 존재하는데, 2차원 반도체 물질과 3차원 금속전극과의 접촉저항 문제가 있어 상용화에 문제가 발생하였고, 이에 2차원 TMD 반도체 물질 간의 상변화를 통해 이상적인 수평 금속-반도체 접촉을 형성하는 방법을 개발했다. 2차원 TMD 물질인 백금(Pt)과 셀레늄(Se₂), 텔루륨(Te₂)으로 구성된 백금 디셀레나이드, 백금 디텔루라이드 물질간의 상변화를 이용하여, 이들을 기체상태로 변화시켜 웨이퍼 표면에 쌓는 화학기상증착법을 이용해 대면적 금속-반도체-금속 구조의 2차원 반도체 소자 제작에 성공함으로서 접촉저항 문제를 해결하였고, 기존 소자보다 낮은 접촉 저항값을 보이고 작동효율도 향상시켰다.

1. 리튬이온전지 및 슈퍼커패시터

우선 리튬이온전지의 기존의 문제점으로 거론되던 것은 안전성 문제였다. 이는 충방전 과정에서의 문제점이라고도 볼 수 있는데, 과충전으로 인한 폭발 사고가 그 예이다. 또한, 외부의 충격으로도 화재의 발생이 일기도 한다. 이는 모두 리튬이온전지의 열폭주 현상에 해당한다. 필자는 이를 리튬이온전지에 TMD를 활용함으로써 해결할 수 있는 문제일 것이라 보았다. 즉, 리튬이온전지의 열폭주 현상은 분리막의 문제로 인한 것이 대부분인데, 분리막의 경계가 허물어지면, 리튬 이온만이 전해질을 통해 이동하는 것이 아니라 전자가 이를 통해 이동하거나, 외부 표면이 얇게 형성되어 리튬이온전지 내부의 각종 기체와 산소가 만나 연소 반응을 연쇄적으로 일으키게 될 수 있기 때문이다. TMD를 양극에 활용한다고 가정하자. 양극에서의 TMD는 앞서 제시한 것처럼 흑연을 대체하게 될 것이므로, 리튬 이온을 저장하는 데 있어서 그 용량이 기존보다 증가할 것이다. 이에 따라 과충전 문제를 방지할 수 있을 것이라 보았다. 이와 더불어 슈퍼 커패시터에서의 TMD 활용은 앞서 제시한 것과 같이 전류 밀도 및 전기적 안전성을 높이는 데에 기여할 수 있으며, 그 점에서 슈퍼 커패시터의 효율을 높일 수 있다. 이는 슈퍼 커패시터의 단점을 보완한다고 볼 수 있기에 전체적으로 리튬이온전지 및 슈퍼커패시터의 현 분야에서의 문제점을 보완할 수 있기에 리튬이온전지 및 슈퍼커패시터 분야에서의 기술 혁신을 촉진할 수 있다고 보았다.

2.  TMD 소재 반도체

TMD 소재 반도체는 전자 및 반도체 분야에서 주목받고 있는 물질이다. TMD는 전이금속과 칼코겐 원소가 결합된 2차원 물질로, 기존 실리콘 기반 반도체 기술의 한계를 극복할 수 있는 가능성을 제공한다. 특히, 얇은 두께로도 우수한 전도성과 반도체 특성을 보여, 매우 작은 소자를 설계할 수 있게 한다. 이는 스마트폰, 웨어러블 기기, 센서와 같은 초소형 전자기기 개발에 중요한 역할을 할 수 있으며, 투명한 디스플레이 구현도 가능하게 해 AR, VR 장비와 같은 첨단 기술에도 적용될 수 있다. 또한 TMD 소재는 밴드갭을 가져 전류 누설을 최소화해 높은 에너지 효율성을 제공하는데, 이로 인해 TMD는 저전력 트랜지스터나 메모리 소자에 적합하며, 에너지 소비가 적은 고성능 전자기기 개발을 가능하게 했다. 뿐만 아니라 TMD는 매우 높은 유연성과 내구성을 가지고 있어 유연한 전자 소자의 성능을 향상시킬 수 있다. 이러한 특성은 의료 및 스마트 섬유 산업에서 유용하여 신체에 밀착 가능한 헬스 모니터링 센서나 스마트 의류 개발을 가능하게 한다. TMD 소재 반도체는 전자 이동 속도가 빠르고 높은 스위칭 특성을 가져 고성능 트랜지스터 구현에도 유리하다. 기존 실리콘 트랜지스터가 미세 공정에서 한계에 직면하고 있는 상황에서, TMD 소재는 더 미세한 소자에서도 고속 스위칭 성능을 유지할 수 있어 5G 및 통신망에서 데이터 처리 속도를 기존보다 높일 수 있다. 또한 TMD는 특정 파장에서 빛과 상호작용하는 광학적 특성 덕분에 태양광 패널, LED, 광검출기 등의 광전자 소자로 활용할 수 있는데, 특히 디스플레이 기술인 마이크로 LED나 미니 LED에도 도입될 가능성이 높아 더 선명한 화질과 에너지 효율을 제공할 수 있다. 더 나아가 TMD 소재는 비휘발성 메모리와 차세대 메모리 소자 개발에서도 주목받고 있다. 전하 트래핑 현상을 잘 활용할 수 있는 TMD의 특성은, 플래시 메모리보다 더 빠르고 내구성이 강한 메모리 소자 개발을 가능하게 한다. 이로 인해 고속 정보 접근이 필요한 인공지능, 빅데이터, 엣지 컴퓨팅 등 고성능 컴퓨팅 분야에서 활용될 수 있다.

육방정계 질화붕소(h-BN)는 질소(N)와 붕소(B) 원자로 구성된 2차원 나노물질로, 그래핀과 유사한 육각형 격자 구조를 가지고 있다. 같은 층에서 넓게 퍼져있는 육각형의 각 꼭짓점에서 질소와 붕소는 강한 공유결합을 하고 있으며 이 결합으로 인해 h-BN의 단일층은 매우 안정하고 열적으로 견고한 특성을 보인다.그리고  이 육각형은 반데르발스 힘에 의해 층마다 쌓여있는데, 이러한 구조로 인해 h-BN이 2D 소재라고 불리는 것이다.

이러한 h-BN은 흰색의 고체 분말 형태로, 물리적, 화학적 성질에서 독특한 특징을 보인다. h-BN은 강한 전기 절연성과 뛰어난 열 전도성 등을 겸비하고 있어 다양한 산업에서 활용되고 있다. h-BN는 다음과 같은 특징을 가지고 있다.

1. 전기 절연성: h-BN은 전기가 거의 통하지 않아 절연체로 활용되며, 특히 높은 주파수 영역에서 안정적인 절연 성능을 보인다.

2. 열 전도성: h-BN은 600~1200 W/m·K의 높은 열 전도성을 가지며, 열 확산과 방출에 매우 효율적이다. 이 특성 덕분에 열 관리를 필요로 하는 전자 기기에서 특히 유용하다.

3. 화학적 안정성: h-BN은 산과 알칼리에 강하며, 고온에서도 안정적인 구조를 유지해 극한 환경에서도 사용할 수 있다.

4. 내열성: h-BN은 최대 1000°C 이상의 온도에서도 열적으로 안정한 특성을 보인다. 따라서 고온을 견딜 수 있는 재료로 산업 현장에서 많이 사용된다.

5. 윤활 특성: h-BN은 낮은 마찰 계수를 가져 고온에서도 윤활제로 사용 가능하다. 특히 산화 방지 성능이 필요할 경우, 금속 표면에 도포하여 윤활제로 사용된다.

h-BN의 가격은 순도, 형태(나노 분말, 박막 등), 그리고 제조 방법에 따라 다르지만, 보통 1kg당 500달러에서 1500달러 정도이다. 나노 분말 형태의 고순도 h-BN의 경우 비용이 더 높으며, 특수 목적을 위한 박막 또는 단일층 형태의 경우는 가격이 더욱 비싸다.

h-BN은 현재 여러 분야에서 다양하게 활용되고 있다. 예를 들어, h-BN은 전자산업에서 절연성과 열전도성 덕분에 고전력 반도체, LED 기판, 고성능 컴퓨터 및 스마트폰의 열 관리 소재로 사용된다. 또한 마찰을 줄이고 마모를 방지하는 특성 덕분에, h-BN은 고온 환경에서 윤활제로 사용되며, 산화 방지 코팅에도 쓰인다. 게다가 h-BN은 고전압 배터리, 특히 전고체 배터리의 전해질 재료로 연구되고 있고, 안정성 덕분에 차세대 배터리 재료로의 가능성을 보여주고 있다. 이 외에도  h-BN은 다이아몬드 합성 과정에서 중요한 기판 역할을 수행하며, 방사선 저항성을 활용하여 우주 항공 소재로도 사용된다.

2. h-BN 소재의 특성에 기반한 응용 분야 및 기여하는 방식에 대한 상세 설명

h-BN의 특성으로는 앞서 언급했듯이 높은 열전도성을 가지고 있고, 낮은 전기 전도성을 가진다는 특성이 있다. 현재 사용되고 있는 전자기기 중에서도 특히 고성능 프로세서, 전력 반도체, 그리고 LED 등의 소자들은 작동 시 많은 열을 발생시킨다. 이렇게 발생된 열은 축적이 되면 부품이 손상되어 기기의 성능이 낮아질 수 있다는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 h-BN의 사용이 기대되는 바이다.

h-BN은 절연층으로 작동할 시 전기적인 간섭을 막는 동시에 주위에 열을 빠르게 분산시키는 방열층 역할을 하여 열을 효율적으로 외부로 배출할 수 있다. 이들을 조합해본다면 h-BN은 열의 쌓임을 방지하기 때문에 장기적으로 작동하는 고성능 소자를 만들 수 있을 것이다. 또한, 2D 소재이기 때문에 다양한 형태로도 사용될 수 있을 것이다.

지금까지의 내용이 추상적으로 다가올 수 있으니 구체적인 예를 들어보자. 고집적반도체에 쓰이는 이황화몰리브덴이 웨이퍼에 직접 닿는다면 전하트랩현상(전하가 갇히는 현상)때문에 이황화몰리브덴과 웨이퍼를 분리할 방법이 필요했다. 이를 위한 방법 중 하나가 절연체를 두 물질 사이에 넣는 것이다. 이 절연체에도 조건이 필요한데, 만약 3차원 소재라면 전하 산란이 생길 수 있기 때문에 이황화몰리브덴과 같은 2D소재인 h-BN만을 절연체로 써야 했다. 이를 현실화시키기 위해 h-BN을 적절한 두께를 가지는 단결정 형태로 합성하여 절연체로 사용한다면 전력을 더 효율적으로 쓸 수 있을 것이다.

h-BN은 의료 분야에서도 활용됭 수 있는데, 그 예시가 바로 h-BN을 이용한 심자외선 LED이다. 이 LED는 코로나바이러스나 세균에 비추면 인체에 끼치는 해를 최소화면서도 해로운 병원체를 사멸시킬 수 있는 심자외선 LED이다. 가시광선과 달리 자외선은 물질에 쬐면 형태를 변형하거나 파괴한다는 단점이 있다. 이 중 투과도가 높은 근자외선은 피부가 노출될 경우 질병을 유발하는 반면, 심자외선은 피부 투과도가 극히 낮아 안전하게 사용할 수 있을 것으로 기대된다.

h-BN 기반 심자외선 LED. 그래핀, h-BN, 그래핀 구조를 갖는 반데르발스 헤테로 나노소재를 이용하여 강한 심자외선 빛을 방출하는 모식도

이에 따라 심자외선 LED를 개발하려는 연구가 활발히 진행되어 왔지만, 이와 함께 주로 사용되던 소재인 질화알루미늄갈륨 (AlxGa1-xN)은 파장이 짧아질수록 발광 특성이 급격히 저하되는 근본적인 한계가 있어 심자외선 파장 영역에서 사용할 수 있는 LED를 만들기 어렵다는 단점이 있었다. 이를 위해 h-BN이라는 소재를 사용하였다. h-BN은 질화알루미늄갈륨과 달리 심자외선 영역에서 밝은 빛을 내, 심자외선 LED 개발에 사용될 수 있다. 하지만, 큰 밴드갭때문에 전자와 정공을 주입하기 어렵다는 단점이 있었다. 이를 위해 h-BN 나노박막에 강한 전압을 걸어주면 터널링 효과에 의해 전자와 정공을 주입할 수 있음에 착안해 그래핀, h-BN, 그래핀이 쌓인 반데르발스 헤테로 나노소재를 기반하는 LED 소자를 제작했고, 실제 소자가 심자외선을 강하게 내뿜는 것을 심자외선 분광 장비를 통해 확인했다.

이는 새로운 파장 영역에서 고효율 LED 신소재 개발로 광소자 응용 분야 개척에 길을 열고, 심자외선 LED를 구현했다는 점에서 의미가 있다. 또한, h-BN 소재가 높은 발광 효율을 가지며 소자를 소형화시킬 수 있다는 장점을 확인했다.

h-BN은 고온과 고전압에 대한 뛰어난 내구성 및 화학적 불활성 특성 덕분에 차세대 에너지 저장 장치에서 중요한 역할을 한다. h-BN은 전고체 배터리와 슈퍼 커패시터에서 전해질 코팅 재료로 사용되며, 배터리 내부에서 전자와 이온의 흐름을 안정화시켜 전기화학적 안정성을 강화한다. 이는 전해질과 전극 간 불필요한 반응을 억제해 전극의 부식과 변형을 방지하고, 배터리 수명을 연장하여 안전성을 높이는 데 기여한다. 또한, h-BN 나노시트는 슈퍼 커패시터 전극 재료로 사용되어 전기적 용량과 전극의 안정성을 향상시키며, 전도성이 뛰어난 그래핀과 혼합해 높은 전기적 용량과 긴 사이클 수명을 유지할 수 있다. 이로써 h-BN은 장시간 전력 유지가 필요한 장치에 적합하고, 전력 손실을 줄여 높은 에너지 밀도를 지속하는 데 기여한다. 특히, h-BN의 내구성은 대규모 에너지 저장 시스템과 전기차 배터리에서 안정성을 강화하는 중요한 요소로, 리튬 기반 배터리의 충·방전 과정에서 발생하는 열을 효과적으로 제어하여 수명을 연장하고 안전성을 높이는 역할을 한다. 결론적으로, h-BN은 전기차 및 대규모 에너지 저장 시스템에서 필수적인 핵심 소재로 자리잡고 있으며, 전고체 배터리에서도 리튬 이온 배터리 대비 향상된 안정성과 수명을 제공하여 차세대 고성능 배터리에 대한 수요를 충족시킬 중요한 기술로 평가받고 있다.

그래핀

그래핀은 흑연을 구성하고 있는 탄소막을 한 겹 벗겨내 만드는 물질으로 높은 전기 전도성, 기계적 강도, 열 전도성 등의 특징과 특수 섬유, 접는 컴퓨터 등 여러방면으로 사용 가능한 활용성을 바탕으로 오늘날 큰 주목을 받고 있는 물질이다. 필자는 이 그래핀의 특성과 가격에 대해 알아보고 이후 그래핀을 활용할 수 있는 응용 분야를 제시한 후 그래핀이 해당 분야에서 어떻게 기술 혁신을 촉진할 수 있을지 알아보겠다.

먼저 그래핀의 특성에 대해서 알아보겠다.

첫 번째로, 높은 전기 전도성이다. 그래핀의 전기 전도성은 구리의 100배로 매우 높다. 또한 상온에서 그래핀의 전자 이동도 즉 그래핀 내에서의 전자가 이동하는 속도는 200,000 cm²/V·s로 약 1,500 cm²/V·s인 실리콘, 77,000 cm²/V·s인 인듐 안티모나이드보다 훨씬 더 큰 전자 이동도를 가지고 있다.

두 번째로, 높은 기계적 강도이다. 그래핀은 매우 얇은 두께에도 불구하고 인장 강도가 약 500 MPa인 강철에 비해 약 200배나 더 높은 130 Gpa의 인장 강도를 가지고 있다. 또한 그래핀은 25%까지의 인장 변형을 견딜 수 있기 때문에 높은 유연성을 가지고 있기도 하다.

마지막으로, 광학적 투명성이다. 그래핀은 얇은 두께의 영향으로 상온에서 약 97.7%의 광 투과율을 보인다. 그렇기에 디스플레이, 태양전지와 같은 투명한 전자 기기에서 사용될 수 있다. 또한 그래핀의 전기 전도성과 투명성의 조합으로 차세대 전자 디스플레이와 투명 전극 응용에 중요한 역할을 할 수도 있다.

다음은 그래핀의 가격이다.

기존 그래핀의 가격은 1㎛당 1000달러 이상으로 매우 비싼 가격을 가지고 있었다. 그러나 전해질(이온) 용액 수조에 '금속 전극- 흑연 전극- 금속 전극'을 샌드위치처럼 배치해 묶음으로 담가 놓은 장치를 사용해 흑연 전극에 전기를 흘려 보내면 이온이 기체로 변하는데 이때 부피가 1000배 이상 팽창하면서 흑연을 아주 얇은 층으로 벗겨내는 방식으로 그래핀을 분리하고 가루형태로 추출해 얻게 되는 차세대 전기화학 박리 과정을 사용해 그래핀을 만들면 1g당 2000원의 가격으로 매우 저렴하게 구매할 수 있다. 이후에도 그래핀은 기술의 발전에 의해 점점 더 가격이 낮아질 것이다.

그래핀은 다양한 장점을 가지고 있어 현재 전자기기에서 다양하게 활용되고 있다. 그래핀의 장점들로는 크게 첫째로 그래핀은 탄소 원자들이 육각형 벌집 모양의 평면 구조를 이루고 있으며, 각 탄소 원자는 다른 3개의 탄소 원자와 sp² 하이브리드화된 결합을 형성하는데 이때 하이브리드화로 인해 각 탄소 원자는 평면 내에서 강한 σ-결합을 이루고, 남은 하나의 전자는 π-결합을 형성하게 된다. π-결합 전자는 델로칼라이즈된 전자로, 탄소 원자 간의 결합을 넘어서 평면 위에 전자 구름을 형성하며 자유롭게 이동할 수 있다.

둘째로 그래핀의 전자 구조에서 중요한 특징은 밴드 구조가 반도체나 절연체처럼 에너지 밴드갭이 존재하지 않고, 전자와 정공의 에너지 상태가 서로 교차하는 디락 점을 가진다는 것이다. 그래핀의 밴드 구조는 디락 콘 형태를 가지게 되는데 가전자 띠와 전도 띠가 만나는 운동량을 디락 점이라고 부른다. 디락 점 부근에서는 전자 상태의 에너지가 운동량에 대해 1차 함수가 되어, 전자 상태의 에너지를 운동량에 대해 그리면 깔때기 모양이 되어 이를 디락 콘이라고 부른다. 이때 전자들이 디락 점 근처에서 마치 질량이 없는 입자처럼 행동하며 매우 빠르게 이동할 수 있다. 밴드갭이 거의 0에 가까워 외부에서 아주 적은 에너지를 가해도 전자들이 자유롭게 이동할 수 있다. 이 특성 덕분에 그래핀은 반도체와 달리 온도나 전압 변화에 매우 민감하게 반응하지 않고, 지속적으로 높은 전기 전도성을 유지한다.

마지막으로 그래핀의 결정 구조 내에서 불순물이나 결함이 매우 적고, 전자가 이동할 때 산란되는 빈도가 낮기 때문에 그래핀에서 전자는 마치 빛처럼 매우 빠르게 이동할 수 있으며, 이 전자 이동도는 실리콘 등의 전통적인 반도체 물질에 비해 수백 배 더 커진다. 전자-정공 대칭성으로 그래핀에서 전자와 정공이 서로 대칭적으로 이동할 수 있어 전자의 이동 속도가 더욱 빨라진다.

그래핀이 현재 활용되는 분야 중 전자기기는 그래핀의 빠른 전기전도도의 특성을 고속 트랜지스터, 전자 디스플레이, 플렉서블 전자기기, 투명 전극, 전기화학 센서등에 이용한다. 전기전도성이란 전류가 잘 흐르는 정도를 의미한다. 이때 그래핀의 전기전도성은 구리보다 100배는 뛰어나다. 그래핀의 전기 전도성이 뛰어난 이유로는 그래핀의 구조가 다른 탄소 동위체와는 다른 특이한 구조를 지니고 있기 때문이다.

특히 현재 가장 주목 받고 있는 전자기기의 분야는 그래핀을 이용한 반도체이다. 지금 널리 쓰이고 있는 규소 반도체는 여러 문제점을 가지고 있다. 첫 번째로 반도체는 물리적 한계와 기술적 한계로 인해 크기를 줄이는데 어려움을 겪고 있다. 주로 실리콘으로 이루어진 반도체는 규소의 원자적 특성 때문에 칩 내의 트랜지스터의 크기를 계속 줄이는 것이 점점 어려워지는 물리적 한계가 있다. 또한 반도체의 크기가 과도하게 작아진다면 트랜지스터 내부의 전자가 양자 터널링을 통해 물리적 장벽을 넘어서 원치 않는 누설 전류와 전류제어가 어려워 신뢰도가 감소한다. 그리고 크기에 따라 전력 밀도는 반비례하여 열 발생량이 증가할 수 있다. 마지막으로 반도체 제조 과정은 나노미터 단위의 매우 정밀한 공정이 필요한데 반도체를 줄일수록 포토리소그래피 과정에서 어려움이 생긴다.

두 번째로 고온에서 성능이 저하 된다. 고온 상태가 된다면 자유전자가 급격히 증가하여 캐리어 농도가 증가하게 되는데 캐리어 농도가 증가한 반도체는 불필요한 에너지의 소모로 누설 전류가 증가하고 이는 전력 손실 및 성능저하로 이어진다. 또한 반도체 소자인 pn접합이나 MOSFET의 게이트 산화막에서 트래핑 현상이 일어날 수 있는데, 트래핑 현상의 증가는 의도치 않은 전류가 증가로 이어진다.

여기서 그래핀 반도체는 탄소의 구조적 특성으로 인해 2차원주조와 자유로운 전자흐름을 가지고 있다. 또한 위에서 설명했듯이 디락 원뿔, 탄소 원자간 강한 결합으로 안정적인 구조로 밴드갭의 단점을 잡아 전자의 이동이 매우 자유롭다. 즉 두 탄소 원자가 공유하는 전자 일부가 그래핀 전체를 자유롭게 이동하기 때문에 높은 전자 이동도를 가지고 있어 규소의 전자 이동도의 약 130배에 달하는 전자 이동도를 가지게 되는 것이다. 그래핀 반도체는 데이터 전송, 고속 신호가 훨씬 더 뛰어나게 되어 컴퓨팅과 통신 장치에 적합하다. 그리고 그래핀의 구조 특성상 원자 한층 두께의 2차원 물질로 매우 얇고 유연하기 때문에 얇은 반도체가 가능케 하며 열전달이 뛰어나기 때문에 기존의 규소 반도체는 고성능에서 발열 문제로 성능 제한이 발생할 수 있었지만, 그래핀은 열 방출이 원활하여 안정적인 작동이 가능하다.

특히 열 발생량이 많은 컴퓨팅 과용량 디스크 계산 처리 과정에서 .매우 효과적이다. 마지막으로 그래핀을 활용한 반도체는 투명한 디스플레이를 가능하게 한다.                               .

이러한 그래핀 반도체의 제조 과정은 우선 그래핀을 화학 기상 증착 방법(CVD)으로 성장시킨다. 이때 구리 기판을 촉매로 활용하는데 메탄(CH₄) 같은 탄화수소 가스를 고온에서 분해함으로써 단층 그래핀을 형성한다.

구리 기판에 형성된 그래핀은 반도체 기판으로 옮기는 전사 과정이 필요하다. 이를 위해 폴리머를 그래핀에 코팅한 뒤, 구리 기판을 화학적으로 부식하여 제거하고 폴리머와 함께 그래핀을 반도체 기판으로 옮긴다. 그런 다음 폴리머를 제거하여 그래핀을 남기는 방식으로, 전사 중 그래핀의 손상 가능성을 줄이기 위한 기술이 연구되고 있다.

그래핀 소자 제작에는 그래핀을 특정 형태로 패턴화하는 과정이 필수적이다. 포토리소그래피 공정을 통해 포토레지스트를 도포하고, 원하는 패턴대로 빛을 쬐어 형상을 만든 뒤, 화학 약품이나 플라즈마로 에칭하여 그래핀을 원하는 모양으로 만든다. 이러한 패터닝 과정은 정밀하게 진행되어야 하며, 그래핀의 전기적 특성에 큰 영향을 미친다.

패터닝이 완료된 그래핀에 전극을 증착하여 전자 소자로 완성한다. 주로 금(Au)이나 티타늄(Ti)과 같은 금속을 사용하여 소스 및 드레인 전극을 형성하고, 게이트 전극과 그래핀 사이에는 산화 하프늄(HfO₂)과 같은 고유전율 물질을 삽입해 전류를 조절할 수 있는 구조를 만든다. 이 과정을 통해 그래핀 반도체의 전기적 특성을 제어하게 된다.

마지막으로, 완성된 그래핀 반도체 소자는 특성 평가와 테스트를 거치게 되는데 소스-드레인 전류와 게이트 전압의 관계를 분석하여 트랜지스터로서의 기능성을 확인하고, 그래핀의 전하 이동도와 내구성을 검증한다. 이처럼 그래핀의 고유한 물성을 최적화하는 방향으로 소자 특성을 강화한다. 그러나 그래핀 반도체는 높은 단가 등 여러 가지 문제점으로 인해 아직은 사용되지 않고 있다.

오늘날 반도체는 전자기기의 일부분으로 쓰이는 부품의 일부가 아닌 편리성과 고성능 기기들이 보편화되는 시대에서 정보 사회의 필수적인 존재로 발전했다. 반도체는 다양한 장점과 이점을 가지고 있어 널리 쓰이고 있지만 계속된 발전으로 여러 문제점과 과제들을 직면하고 있다. 따라서 이를 해결하고 개선하기 위해 노력을 기울이고 있으며 반도체의 효율성을 높이기 위한 다양한 방법들이 모색되고 있다. 만약 그래핀 반도체가 상용된다면 전자기기를 크게 향상시킴으로써 우리 삶의 큰 발전을 불러올 것이다. 그래핀 반도체는 아직 상용화되지는 않았지만, 이번 연구를 통해 실리콘을 대체할 차세대 반도체 소재로의 가능성을 한층 높였다는 평가를 받고 있다. 연구팀은 앞으로 에피택셜 그래핀의 성능을 더욱 개선하고, 대량 생산 기술을 개발하기 위해 노력할 계획이라고 밝혔다.

그래핀 반도체가 실질적으로 상용화되기 위해서는 대량 생산 기술의 개발이 무엇보다 중요하다. 연구팀의 노력과 더불어 관련 산업의 투자가 확대된다면, 그래핀 반도체는 머지않아 우리 생활 속에서 만나볼 수 있을 것으로 기대된다.

그래핀은 뛰어난 구조적, 전기적 특성 덕분에 여러 가지 분야에 활용가능하다. 그래핀의 특성을 고려하여 의료분야에서의 주요 활용 방안은 다음과 같다:

첫 번째로, 바이오센서로 사용될 수 있다. 먼저 바이오센서란 바이오수용체와 신호 변환기를 결합한 장치로, 분석 대상물과 단백질, 항원과 항체 등과 상호작용하여 이를 전기 신호로 변환하여 분석하는 장치이다. 바이오센서의 구성 요소로는 생체 인식요소, 변환기, 신호 처리 시스템으로 구성되어있다. 생체 인식 요소(바이오 수용체)에서 글루코스, 단백질와 같은 특정 물질을 선택적으로 인식하는 역할을 한다. 생체 인식 요소가 표적물질과 결합할 때 발생하는 변화를 전기적 신호로 변화하는 역할을 변환기가 한다. 이 변환된 신호는 물리적, 전기적, 광학적 방식 등 여러 가지 방식으로 사용될 수 있다. 마지막으로, 변환된 신호가 신호 처리 시스템에 가면 신호 처리 시스템에서 신호를 분석하고 출력값으로 변환하고, 이 정보를 기반으로 분석 대상의 농도나 상태를 파악한다. 바이오 센서에 그래핀을 활용하면 여러 가지 이점을 챙길 수 있다. 먼저, 그래핀은 높은 전기 전도성을 가지고 있어, 매우 작은 전류 변화에도 민감하게 반응할 수 있다. 그래서 이것을 통해 초고감도 바이오 센서를 구현할 수 있다. 또한 그래핀은 2차원 구조를 가지고 있어 넓은 표면적을 지니고 있어, 많은 양의 생체 인식 요소와 결합할 수 있는 장점이 있다. 이러한 바이오센서는 혈당 측정기(포도당 측정기), 바이러스 검출 센서 등에 응용될 수 있다. 실제로 2022년 한국생명공학연구원에서 개발한 바이오 센서는 올리고페닐렌에틸렌(OPE)을 그래핀과 결합시켜 단일층 구조로 제작한 것으로, OPE 화합물의 구조를 변경해 센서 표면 특성을 바꿔 혈액, 땀, 소변 등 다양한 임상 샘플에 적용할 수 있다는 것을 확인했다.

OPE 화합물은 Organic Photochromic Elastomers의 약자로, 유기 광변색 엘라스토머를 의미한다.이 화합물은 빛에 의해 물리적·화학적 성질이 변하는 성질을 지닌 유기 고분자로, 주로 광반응성 물질과 탄성 중합체로 구성되어 있다.

두 번째로, 인공장기로 사용될 수 있다. 인공장기의 사전적 정의는 장기의 기능을 대용시킬 목적으로 만들어진 장치, 일반적으로 체외에 장치하여 쓰는, 규모가 큰 장치를 주로 인공장기라 한다. 그래핀으로 인공장기에 활용하면 여러 가지 장점이 있다. 일단, 인공 심장이나 인공 혈관 같은 장기는 지속적으로 변형되기 때문에 내구성과 유션성이 강한 소재가 필수적인데, 그래핀은 인공 장기에 필요한 내구성과 유연성을 동시에 충족하기 때문에 인공장기에 활용되기 적합하다. 또한 그래핀은 높은 전기 전도성을 가지고 있어 신경 조직 재생이나 신경 인터페이스가 필요한 인공 장기에 활용될 수 있다. 이러한 그래핀을 활용한 인공장기의 사례로 나노 산화 그래핀을 탈세포 지지체에 가교결합시키는 기술을 통해 제작한 생체 스캐폴드가 있다. 현재 전세계적으로 간 이식에 사용되는 기증 장기는 매우 부족한 상황인데, 이로 인해 기존 조직 공학을 통해 생산되는 인공 간이 대안으로 제시되었지만, 간의 정교한 미세 구조로 인해 생체 모사 간을 제작하기에 한계가 있다. 이 같은 한계를 극복하기 위한 차세대 기술로 스캐폴드에 사람의 세포를 다시 주입하는 재세포화 기술이 주목받고 있다. 스캐폴드는 인공 간과 달리 기존 장기의 미세구조와 생화학적 특성을 최대한 보존할 수 있기 때문이다. 그러나 이러한 스캐폴드도 생체 내에 이식 시 약한 물성으로 인해 쉽게 생분해된다는 한계가 있다. 이를 해결하기 위해 범부처재생의료기술개발사업단은 나노 산화 그래핀을 이용한 스캐폴드 가교 기술을 개발했다고 2023년 2월 14일에 밝혔다. 나노 산화 그래핀이 생체 내 효소의 활성을 저해하고, 항염증 효과를 통해 기존의 스캐폴드의 단점이었던 쉽게 생분해된다는 단점을 상쇄하였다. 연구팀은 나노 산화 그래핀을 탈세포 지지체에 가교결합시키는 기술을 통해 이식 시 생존 가능성이 높으면서 생체 내 기능성, 재생 기능이 향상된 생체 모사 인공 간을 제작하는 기술을 개발했다. 이러한 연구팀이 개발한 그래핀을 활용한 생체 스캐폴드는 앞으로 생체 모사 인공 장기 개발에 광범위하게 활용되고 그 실용성을 크게 향상시킬 것으로 기대된다.

가교결합은 고분자 사슬을 다른 사슬로 연결하는 결합을 의미한다

스캐폴드(Scaffold)는 조직 세포의 체외 배양과 체내 이식이 가능하도록 만들어진 물리적 지지체 및 점착 기질을 칭하는 것으로, 이러한 스캐폴드는 인체조직 재생을 위한 세포 이식에 사용되고 있다.

마지막으로, BCI(Brain-Computer Interface, 뇌-컴퓨터 인터페이스)에 활용될 수 있다. BCI란 말그대로 사람의 두뇌와 컴퓨터를 연결하는 장치를 의미한다. BCI는 최근 연구가 활발히 진행되고 있으며, 미래의 기대받는 기술로 주목받고 있다. BCI는 뇌에 BCI 칩을 삽입하여 쓰기 때문에 뇌에 손상을 입지 않으면서 장기간 사용 가능해야 한다. 그렇기에 그래핀은 BCI 소재에 적합하다. 특히, 뇌와 같이 민감한 조직에 그래핀 전극을 부착할 경우, 염증 반응을 최소화하면서 안정적으로 신호를 읽어낼 수 있다. 이로 인해, BCI 장치를 장기간 이식하거나 착용할 수 있어, 뇌와 컴퓨터 간 상호작용을 지속적으로 유지할 수 있는 장점이 있다. 또한 그래핀은 기존 금속 전극보다 세포 손상을 줄이며 장기적으로 뇌 속에서 안정적으로 작동할 수 있다. 그래핀 기반 BCI는 뇌 종양 제거 수술, 신경 장애 치료, 게임과 같은 다양한 분야에 활용될 수 있습니다. 예를 들어, ALS(근위축성 측삭경화증) 환자와 같은 신경 질환 환자의 의사소통을 돕거나, 신체 움직임을 직접 조절할 수 있게 해주는 응용이 가능할거라 추측하고 있다. 앞으로 그래핀 기반 BCI 기술이 더 발전하면, 신경계 질환 치료, 뇌 질환 진단 등 의료 분야에 있어 큰 혁신을 가져올 것으로 기대된다.

Ⅲ		결론 및 제언

본 연구는 그래핀, TMD, h-BN의 각 소재 특성과 응용 가능성을 분석했다. 그래핀은 고속 전도 특성과 강도, 유연성 덕분에 차세대 전자 소자 및 의료 기기에서 중요한 소재로 사용될 전망이다. TMD는 밴드갭 조절로 전자 소자와 광전 소자에서 응용 가능성을 넓혔다. h-BN은 전기 절연성과 방열 특성 덕분에 고성능 전자기기에서 필수적인 방열 및 절연 소재로 자리 잡고 있다. 각 소재의 연구 및 기술 개발은 초미세 공정, 고성능 반도체 개발, 친환경 에너지 기술 등 다양한 산업에서 혁신을 이루는 데 기여할 것이다.

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