요즘 반도체시장뿐만 아니라 여러 연구실에서도 2d물질을 적극적으로 연구하고있습니다.
과연 어떤 점 때문에 많은 연구를 하는 걸까요??
그 이유는 그래핀의 장점에서 알 수 있습니다.
그래핀의 탄생
2010년 노벨상을 받은 노보셀로프 박사가 발견한 물질이 그래핀입니다.
연필심(흑연)은 carbon으로 이뤄져있는데, 이 흑연을 셀로판테이프로 접었다 뗏다 반복하면 아주 얇은 흑연을 얻을 수 있습니다. 마지막으로 셀로판 테이프를 녹이는 용액으로 테이프를 녹여서 그래핀을 얻었습니다.
기존 bulk 물질은 200~300층은 기본이고 많은 층으로 이뤄져있었습니다. bulk 물질은 200층이든 300층이든 서로 특성이 비슷했죠.
그러나 몇백층이나 되는 물질이, 1~2층 수준으로 얇아진다면 그 특성은 갑자기 바뀝니다.
그래핀의 경우 무한에 가까운 electron mobility를 가지고 있어서 전기전도도가 매우 높습니다.
구리의 100배로 알려져있죠. 전자가 잘 움직이니 열의 전도도 매우 높습니다. 전자는 에너지를 운반하는 역할이기에 전기에너지를 운반하면서 열에너지도 잘 운반합니다.(예외도 있음)
게다가 defect가 거의 없고 안정한 공유결합을 이루기때문에 강철보다 단단하고 탄성도 좋습니다.
이렇게 보면 아주 좋은 물질이죠. 연필심에서 추출가능하니까 가격도 엄청 싸고, 성능도 아주 뛰어나! 미친 완전 혁명이다!
그래핀의 단점
근데 이런 그래핀에게 치명적인 단점이 있습니다.
첫 번째로 전기가 항상 흘러요. 지금 우리 일상에서 석유마냥 쓰이는 기술은 반도체 기술입니다.
반도체 : 원할때 전기를 흐르게 하고, 원치않을 때 전기가 못흐르도록 막을 수 있다.
덕분에 on/off가 가능함.
반도체가 아주 떡상한 이유는 on / off가 가능하기 때문입니다. on off 덕분에 데이터를 저장할 수도 있고, 여러 계산도 할 수 있습니다. 한마디로 말을 잘듣는 녀석이죠.
그러나 그래핀은 전기가 항상 흘러서 on / off가 안됩니다. 조절이 안돼요. 말을 안들어! 그냥 본능대로 행동합니다.
과학적으로 왜 전기가 항상 흐를까요? 이는 bandgap으로 설명할 수 있습니다.
밴드갭은 전자가 결합을 끊고 흐르는데 필요한 에너지입니다.
우리 전자들은 5살 아이들 같아요. 본능대로 움직입니다.
우리 일상에서 쓰이는 Si 반도체의 전자들은 어른들의 말을 좀 듣습니다. 1.12eV의 밴드갭을 가지고 있어요.
공공장소에서 뛰지마! 하면 멈춰줍니다. 놀아! 하면 놀아줍니다. 컨트롤하기가 쉬워요.
하지만 그래핀의 전자들은 0eV의 밴드갭을 가지고 있어요. 가만히 있으라 하면 가만히 있지 않습니다.
나를 완전 물로 봐요. 제발 가만히있으라 해도 움직이고, 움직이라하면 미친듯이 움직입니다.
컨트롤이 안돼요.
항상 on 상태입니다... 반도체에서 이런 물질을 channel로 쓴다면 항상 전류가 흘러서 누설전류가 매우 큽니다.
써먹을 수가 없죠.
두 번째 문제는 다른 물질과 결합시키기 힘들다는 점이에요.
그래핀이 강철보다 단단하고 탄성이 높은 이유, electron mobility가 매우 좋은 이유는 과연 뭐때문일까요?
바로 defect이 없다는 점 때문입니다. 엄청나게 안정한 구조를 이루고 있어요.
장점같은 이 점이 전자기기로 써먹을 때는 단점으로 작용합니다.
실제 핸드폰, 컴퓨터에 쓰이는 반도체에서 써먹으려면 그래핀 물질을 단일로 쓰기는 힘듭니다.
항상 Si, metal , oxide와 같은 물질들과 공동협업을 하게 되죠.
이런 구조 보신적 있으시죠? 반도체의 MOS구조입니다.
그래핀은 여기서 channel 역할을 해요. 전자가 흐르는 통로 역할! 왜? 전자가 잘 흐르는게 장점이니까!
기존 channel이 경부고속도로 1차선이었다면, 그래핀은 속도제한이 없는 독일 아우토반 고속도로 1차선입니다.
그림을 보시면 channel이 단독으로 있지 않고 다른 물질들과 딱 달라붙어있는 상태에요.
source drain oxide, si substrate와 붙어있죠? 결합했다는 뜻이에요.
근데 그래핀은 위에서 언급했듯이 완벽 고결 안정한 물질이래. defect가 없어!
덕분에 다른 물질들과 결합을 안합니다. 마치 과거 귀족들이 평민들과 어울리기 싫어했던 것 마냥 귀족 그래핀들이 다른 물질과 어울리려하지 않습니다.
아니 좀 어울려야 고정시키고, 현실에서 써먹지!!! 지만 동떨어져있어...
아주 살짝은 결합해있긴 해요. van der waals라는 force로....근데 이거 약한 결합이라고 배웠는데? 실용화 x!
대체제로 나온 것이 MoS2 같은 Transition metal dichalcogenide
대체제로 나온 물질이 TMDC, 트랜지션 메탈 다이칼코게나이드 물질들입니다.
전이금속원자와 칼코겐원자가 결합한 분자들이에요. 전이금속이랑 칼코겐이 뭐냐구요?
주기율표 보시면 나와있습니다.
아무튼 이 TMDC 물질 중 대표적인 것이 MoS2입니다.
MoS2는 electron mobility가 graphene마냥 무한은 아니지만 기존의 반도체 채널(경부 고속도로)보다 높은 200~300 cm^2/V*s 정도 나옵니다.
일단 전기전도도 면에서는 합격!
우리 말을 일단 잘 들을까 보려고 bandgap을 찾아보니 bulk물질의 경우 1.2eV이고, monolayer MoS2 (한층짜리 MoS2)의 경우 1.8eV네요. 여기서 mono는 1 , layer는 층이라는 뜻
MoS2는 층이 얇아질수록 bandgap이 높아집니다. 말을 잘 들을 확률이 높아진다는 뜻!
오 합격!
심지어 기존 Si 반도체는 indirect bandgap이라는 문제점을 갖고 있었습니다.
이게 뭔지는 위 설명을 참고해주세요.
결론적으로 indirect bandgap인 물질일 경우 발열이 컸습니다. 컴퓨터 오래하면 뜨거워지죠? 발열생겨서 그렇습니다.
하지만 monolayer MoS2는 direct bandgap이라 발열이 없습니다. 캬~~~~ 개쩔어!!
이거 완전 큰 장점이거든요. 전기세 줄일 수 있는 획기적인 물질이에요.
근데 얘도 완전 고결 안정한 물질인게 단점.
얘도 다른 애들이랑 어울리라고 하면 잘 안어울립니다. 그래서 현재 monolayer MoS2를 다른물질들과 어울리게, 결합하게 하는 연구가 진행중입니다.
2d material 쓰려고 하는 이유 정리해줘
정리하자면, 2d material은 반도체에서 channel로 쓰려고 합니다.
반도체에서 channel이 뭐다? 전자가 흐르는 고속도로다!
2d material은 완전 고결 안정한 물질이라 electron mobility가 높다. 기존의 경부고속도로 치우고 속도제한 없는 독일 아우토반 고속도로를 건설할 수 있게 됐다. 컴퓨터 속도 짱 빨라질 수 있음.
심지어 MoS2는 기존 Si이 가지고 있던 발열문제도 해결할 수 있다.
게다가 얇아서 scale down에도 도움이 된다. 요즘 트렌드는 얇게잖아~
근데 너무 귀족같은 녀석들이라 현재 쓰고 있는 물질들과 결합을 잘 안한다. van der waals로 아주 살짝만 결합해있긴한데, 실용화하기엔 이거로 부족하다.
이상으로 그래핀의 장단점 및 2d material을 쓰는 이유에 대해 정리해봤습니다.
틀린 부분이 있을수도 있으니 참고부탁드릴게요~
얘는 요즘 맨날 하는 MoS2 monolayer 만드는 영상 ㅎㅎ
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