과학(Science)/공학 (Engineering)

2차원 소재(2DLMs)

SURPRISER - Tistory 2024. 3. 19. 17:58

 '2차원 소재(2DLMs: Two-dimensioncal layered materials)'는 '사물인터넷(IoT)', '휘어지는 소자', '초저전력 소자', '차세대 배터리', '정수 필터', '우주선(Spaceship)', '우주복(Space Suit) 등 다양한 산업 분야에 적용이 가능한 파급력이 큰 원천 기술이다. 최근 다양한 전기적·광학적 성질을 가지는 '2차원 소재(2DLMs)'가 급부상하며 기술 응용 범위가 확대되고 상용화 가능성이 높아졌다.

 최초의 2차원 소재인 '그래핀(Graphene)'은 2010년 노벨물리학상의 주역으로 '꿈의 소재'라 불리며, 다양한 산업분야에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. '그래핀(Graphene)'은 도체 성질을 가지고 있어 반도체 분야 적용에 어려움이 있었다. 그러나 최근에는 반도체 성질뿐만 아니라 부도체 성질을 가지는 다양한 2차원 소재가 등장하며 응용범위가 확대되고 있다. 지속적인 연구개발로 생산 비용이 급격히 하락함에 따라, 2차원 소재의 상용화가 곧 가능해질 것으로 전망된다. 2016년에는 '세계 경제 포럼(WEF: World Economic Forum)'에 떠오르는 10대 기술 중 하나로 '2차원 소재'가 선정되었다.

0. 목차

  1. '2차원 소재'란?
  2. '2차원 소재'의 종류
  3. '2차원 소재' 제작법
  4. '2차원 소재' 제작 연구
  5. '2차원 소재' 적용 연구
  6. '2차원 소재' 정책 동향

1. '2차원 소재'란?

 2004년, '흑연(Graphite)'으로부터 '그래핀(Graphene)'을 분리하는데 최초로 성공한 이래로 본격적인 '2차원 소재(2DLMs)' 연구가 시작되었다. 흑연 덩어리 물질에 접착성 스카치테이프를 붙였다 떼었다 반복하여, 몇 겹의 원자 층을 기계적으로 벗겨내는데 성공한 것이다. '그래핀'은 흑연과 같은 원소로 이루어졌음에도 불구하고, '흑연'과 매우 상이한 특성을 가진다는 연구결과도 보고되었다. 이는 연구자들이 다른 3차원 소재들의 2차원 결정 구조에 관심을 가지게 되는 계기가 되었다. 별다른 장치 없이 '기계적 박리법'을 통해 고품질의 2차원 소재를 얻을 수 있으므로, 연구자들은 '흑연'과 같이 층상구조를 보이는 3차원 소재에 이 방법을 적용하였다. 그 결과, 다양한 2차원 소재가 발견되었다.

 '2차원 소재(2DLMs)'란 원자들이 '단일 원자층 두께(약 1nm)'를 가지고 있는 평면에서 결정 구조를 이루는 물질을 지칭한다. 결정 구조의 차원의 수에 따라 '3차원(3D)', '2차원(2D)', '1차원(1D)', '0차원(0D)' 물질로 구분 가능하다. 같은 원소로 이루어진 물질이라도 차원 수가 달라지면 원자들 사이의 결합 특성이 달라지므로, '기계적 안정성', '전자이동도(Electron Mobility)' 등 물질의 특성이 달라진다.

 '반데르발스 이종접합 구조(Van der Waals heterostructure)'는 단일 원자층 구조는 아니지만, 2차원 소재의 장점을 극대화할 수 있는 구조로 2차원 소재 범주에 속한다. '반데르발스 이종접합 구조'는 서로 다른 2차원 소재를 레고블록처럼 층층이 쌓아 만든 복합물질이다. '반데르발스 이종접합구조'를 구성하는 물질의 종류 및 쌓는 순서에 따라 상이한 특성을 가지는 소재를 만들 수 있으므로, 2차원 소재의 다양성 및 기능성을 극대화할 수 있다.

탄소 원자로 이루어진 0D, 1D, 2D, 3D 구조 예시

1-1. 전기적 특성에 따른 2차원 소재 구분

 2차원 소재는 전기적 특성에 따라 '도체', '반도체', '부도체'로 분류할 수 있다. '도체'는 전기가 잘 통하는 물질을, '부도체'는 전기가 잘 통하지 않는 물질을, 반도체는 도체와 부도체의 중간 성질을 가지는 물질을 지칭한다. '전자띠 구조(Electronic Band Structure)'에서 보면, '띠 간격(Band Gap)'이 0eV면 도체, 0~4eV 정도면 반도체, 5eV 이상이면 부도체로 구분된다. '2차원 소재' 중 '도체 성질'을 도체 성질을 가지는 물질로는 '그래핀' 등이 있고, '반도체 성질'을 가지는 물질은 '전이금속 디칼코게나이드'와 '흑린' 등이 있으며, '부도체 성질'을 가지는 물질은 '육방정계 질화붕소' 등이 있다.

전기적 특성 2차원 소재 종류
도체 그래핀(Graphene)
그룹 V TMDCs(VS2 등)
TiS2, NiSe2, PdS2, PtS2, PtSe2...
반도체 전이금속 디칼코게나이드 (MoSe2 등)
ReS2, HfSe2, InSe, GaSe 등
흑린(Black Phosphorus)
부도체 육방정계 질화붕소(Hexagonal Boron Nitride)
산화 그래핀(GO: Graphene Oxide)
2차원 산화물 (Ti0.8O2, LaNb2O7 등)

2. '2차원 소재'의 종류

 다양한 2차원 소재 중 '그래핀(Graphene)', '전이금속 칼코겐 화합물(Transition Metal Chalcogenide Compound)', '흑린(Black Phosphorus)', '육방정계 질화붕소(Hexagonal Boron Nitride)' 물질에 대한 연구가 상대적으로 많이 진행되고 있다. 여기에서는 '2차원 소재'의 '결정 구조(Crystal Structure)'와 '전자띠 구조(Electronic Band Structure)'를 중심으로 살펴보자.

  1. 결정 구조(Crystal Structure): '결정 구조(Crystal Structure)'란 물질을 구성하고 있는 원자가 공간 내에서 규칙적으로 배열되어 결정을 이루는 구조를 말한다. 고체 중에 원자가 채워질 때의 규칙성은 결합의 방향성과 조밀하게 채워지게 요구되는 기하학적인 조건으로부터 생긴다.
  2. 전자띠 구조(Electronic Band Structure): '전자띠 구조(Electronic Band Structure)'란 고체 내 전자가 가질 수 있는 혹은 가질 수 없는 에너지를 운동량에 대한 함수로 표현한 것이다. 즉 '전자띠 구조'는 고체 물질 내에서 전자가 존재할 수 있는 허용된 에너지 상태의 집합을 설명하는 물리적 개념이다. 이러한 상태는 물질의 전자가 자유롭게 이동하거나 활동할 수 있는 공간을 나타낸다. 이러한 상태에서 전자들은 화학적 결합에 관여하거나 원자 간의 결합에 참여할 수 있다. '전자띠 구조(Electronic Band Structure)'는 크게 '전도대(Conduction Band)'와 '원자가대(Valence Band)'로 나뉜다.
    • 전도대(Conduction Band): '전도대(Conduction Band)'는 전자가 높은 에너지 상태를 나타낸다.
    • 원자가대(Valence Band): '원자가대(Valence Band)'는 전자가 낮은 에너지 상태를 나타낸다.
    • 밴드 갭(Band Gap): 그리고 두 밴드 사이의 에너지 차이를 '밴드 갭(Band Gap)'이라고 한다. 이것은 전자가 '원자가대(Valence Band)'에서 '전도대(Conduction Band)'로 이동하기 위해 필요한 최소한의 에너지를 의미한다. '밴드 갭'의 크기에 따라 물질의 전기적 특성이 결정된다.
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2-1. 그래핀(Graphene)

 '그래핀(Graphene)'은 탄소 원자로 구성된 '2차원 소재'이며, '동소체(Allotrope)'로 연필심의 재료인 '흑연(Graphite)', '다이아몬드', '탄소나노튜브(Carbon Nanotube)', '풀러렌(Fullerene)' 등이 있다. '동소체(Allotrope)'란 한 종류의 원소로 이루어졌으나 그 성질이 다른 물질이 존재할 때, 이 여러 형태를 부르는 이름이다.

  1. '그래핀'의 결정 구조: '그래핀(Graphene)'의 '결정 구조(Crystal Structure)'는 '탄소(C, 원자번호 4)' 원자들이 육각형 모양으로 2차원 평면을 이루고 있다. 이 모양을 '벌집구조(Honeycomb Structure)' 또는 '벌집격자(Honeycomb Lattice)'라고 부른다. 탄소 원자간 결합 길이는 0.142nm이다.
    • 기계적 특성: '그래핀'은 2차원 평면상에서 탄소 원자들이 강한 공유결합으로 연결되어 있어 물리적·화학적 안정성이 높고, 강철보다 200배 이상 강하며 기계적인 유연성이 뛰어나다.
  2. '그래핀'의 전자띠 구조: 아래의 오른쪽 그림은 '그래핀(Graphene)'의 '전자띠 구조(Electronic Band Structure)'를 나타낸 것으로, '디랙 콘(Dirac Cone)' 구조를 가지고 있다. 이 그림에서 '전도대(Conduction Band)'는 '빨간색'으로, '원자가대(Valence Band)'는 '파란색'으로, '밴드갭(Band Gap)'은 '빨간색과 파란색 사이 간격'으로 표현되어 있다. '디랙 콘' 구조를 가지는 물질 내에서 움직이는 전하의 유효 질량은 0이다.
    • 전기적 특성(도체): '디랙콘(Dirac Cone)' 구조는 '밴드갭(Band Gap)'이 없으므로 '도체(Conductor)'의 성질을 보이며, 전하가 질량이 없는 것 같이 행동하므로 매우 빠른 전하이동도를 보인다. '그래핀'은 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고 반도체로 주로 쓰이는 단결정 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있다.

그래핀의 '결정 구조'와 '전자띠 구조'

2-2. 전이금속 칼코겐 화합물

 '전이금속 칼코겐 화합물(Transition Metal Chalcogenide Compound)'이란 '전이금속(Transition Metal)'과 '칼코겐 원소(Chalcogen Element)'로 이루어진 2차원 층상 구조를 가지는 화합물을 지칭한다. '전이 금속(Transition Metal)'은 주기율표의 'd-구역(3족~12족 원소)'에 있는 원소를 말하며, '몰리브데넘(Mo)', '텅스텐(W)' 등을 포함하고 있다. '칼코겐 원소(Chalcogen Element)'는 주기율표에서 16족에 해당하는 원소들을 가리키며, '산소(O)', '황(S)', '셀레늄(Se)', '텔루늄(Te)' 등을 포함하고 있다. 대표적인 '전이금속 칼코겐 화합물'로는 '전이금속(M)' 하나와 '칼코겐 원소(X)' 둘이 결합한 '디칼코게나이드(MX2)'가 있다.

  1. '전이금속 칼로겐 화합물'의 결정 구조: 2차원 전이금속 '디칼코게나이드(Dichalcogenide)'는 '칼코겐(Chalcogen)' 두 원소층 사이에 전이금속 단일 원소층이 샌드위치 되어 있는 구조를 가진다. 3개의 원자층이 모여서 하나의 층 '1TL(Trilayer)'을 이룬다.
    • 기계적 특성: 가운데의 '전이금속 원자'는 아래위로 존재하는 '칼코겐(Chalcogen)' 원소와 강한 '공유결합(Covalent Bond)'을 이루고 있어서 물리적·화학적으로 안정적이다.
  2. '전이금속 칼로겐 화합물'의 전자띠 구조: '전이금속 칼로겐 화합물'은 '그래핀(Graphene)'과는 다르게 1~3eV 정도의 띠 간격이 존재하고, 전도띠와 원자가 포물선 모양으로 표현되며, 소재의 두께에 따라 전자띠 구조가 변한다.
    • 두께가 얇아지면, 전자띠 구조가 변함: 수 개의 TL에서 단일층인 1TL로 두께가 얇아지면, 층간 상호작용이 달라져 전자띠 구조가 변한다. MoS2의 경우, 3차원 소재는 띠 간격 1eV의 '간접천이(Indirect Transition)'형 반도체이지만, 두께가 얇아짐에 따라 '단일층(Single Layer)'이 되면 띠 간격 3eV의 '직접천이(Direct Transition)'형 반도체가 된다. 단일층에서 직접천이형 반도체가 되면서 빛의 흡수·방출이 강하게 나타나므로 광소자에 응용이 가능하다.
    • 전기적 특성(반도체): '전이금속 칼로겐 화합물'은 '그래핀'과 달리 반도체 특성을 보이므로 기존의 반도체 소자 대체에 용이하다. 하지만 '전하이동도'는 '실리콘(Si, 원자번호 14)'이나 '게르마늄(Ge, 원자번호 32)'과 비슷한 수준으로 그래핀보다 다소 높다.

'전이금속 칼로겐 화합물'의 '결정 구조'와 '전자띠 구조'

2-3. 흑린(Black Phosphorus)

 '흑린(Black Phosphorus)'은 '인(P, 원자번호 15)' 원자로 이루어진 2차원 소재이다. 대표적 '동소체(한 종류의 원자로만 이루어졌으나 그 원자들의 배열 순서나 배열 구조가 다르기에 그 성질이 다른 여러 가지인 물질)'로 폭죽과 화약에 사용되는 '백린(WP: White Phosphorus)'과 붉은색 성냥 머리에 활용되는 '적린(Red Phosphorus)'이 있다. '흑린'은 '백린' 또는 '적린'을 약 200℃, 1.2GPa의 고온 고압 환경에서 처리하여 제작된다.

  1. '흑린'의 결정 구조: '흑린의 결정 구조는 그래핀의 육각 벌집 모양의 결정 구조가 규칙적으로 구부러진 것과 같은 '주름진 육각벌집(Puckered Honeycomb)' 구조를 가진다. '흑린'의 단일 원자층을 '포스포린(Phosphorene)'이라 지칭하지만, 관용적으로 '흑린'과 '포스포린' 용어를 혼용해서 사용한다.
    • 비등방성(Anisotropy): '흑린'은 주름진 구조로 인해 특유의 '비등방성(Anisotropy)'을 가진다. '비등방성(Anisotropy)'이란 방향에 따라 물체의 물리적 성질이 다른 것을 말한다. 규칙적으로 구부러진 방향을 '암채어 방향(x 방향)', 그와 수직한 방향을 '지그재그 방향(y 방향)'이라고 정의한다. '지그재그 방향(y방향)'은 '암체어 방향'의 전하 유효 질량보다 10배 이상 높다. '전기전도성'은 '암체어 방향(x 방향)'으로 우세한 반면, '열전도성'은 '지그재그 방향(y방향)'으로 우세하다. '플라즈몬 공명 주파수' 역시 암체어-지그재그 방향에 따라 다르므로, 입사광의 선형 편광 방향을 조절하면 공명 주파수의 제어가 가능하다.
    • 기계적 특성: '산화(Oxidation)' 등의 문제로 대기 중에서 매우 불안정하다.
  2. '흑린'의 전자띠 구조: 소재의 두께에 따라 띠 간격이 0.3~2.0eV로 바뀌지만 항상 '직접 천이(Direct Transition)'형 반도체 전자띠 구조를 유지한다.
    • 전기적 특성(반도체): 'p형(p-type)' 직접 천이형 2차원 반도체로서, 그래핀보다는 '전하이동도'가 낮다. 하지만 '전이금속 칼로겐 화합물', '실리콘'보다 우수한 전하이동도를 가진다.
    • 광학적 특성: '직접 천이(Direct Transition)'형 전자띠구조를 가지므로 빛과 강하게 상호작용한다. 또한 띠 간격이 두께에 따라 0.3~2.0eV까지 제어 가능하므로, 원적외선부터 가시광선에 이르기까지 폭넓은 스펙트럼 대역을 포괄하므로 '광소자' 적용에 용이하다.

'흑린'의 '결정 구조'와 '전자띠 구조'

2-4. 육방정계 질화붕소(Hexagonal Boron Nitride)

 '육방정계 질화붕소(Hexagonal Boron Nitride)'는 '붕소(B, 원자번호 5)'와 '질소(N, 원자번호 7)'가 1:1 비율로 구성되어 있는 화합물 중 '육방정계(Hexagonal, 6각형의)' 결정 구조를 가지는 물질을 지칭한다. 약칭으로는 h-BN으로 표현한다.

  1. '육방정계 질화붕소'의 결정 구조: '육방정계 질화붕소(Hexagonal Boron Nitride)'는 '그래핀(Graphene)'과 유사하게 '붕소(B)'와 '질소(N)' 원자가 육각벌집 모양의 평평한 결정 구조를 가진다. '질소'와 '붕소' 원자간 결합 길이는 0.144nm로, 그래핀의 탄소 원자 간 결합 길이인 0.142nm와 매우 유사하다.
    • 기계적 특성: '육방정계 질화붕소'는 '붕소'와 '질소'가 강한 공유결합으로 결합되어 있어 물리적·화학적 안정성이 높다. 공기 중에서 섭씨 1000℃까지, 진공 중에서 섭씨 1400℃까지 구조가 유지되며, 화학물질과 반응하지 않는다. 또한 '육방정계 질화붕소'는 '그래핀'과 유사하게, 투명하고 유연하면서 우수한 기계적 성질을 가지고 있다.
  2. '육방정계 질화붕소'의 전자띠 구조: '육방정계 질화붕소'는 '그래핀(Graphene)'과 결정 구조가 유사한, '육방정계 질화붕소'는 6eV 정도의 띠 간격을 가진다.
    • 전기적 특성(부도체): '육방정계 질화붕소'는 우수한 부도체의 특성을 보인다. 그래핀과 거의 동일한 구조를 가지면서 '부도체'이므로, 이상적인 그래핀의 '기판(Substrate)'으로서 적합하다.
    • 열전 특성: '전자(Electron)-'포논(Phonon)'간 상호작용이 약하므로, 다른 탄소동소체들에 비해 더 높은 열전도성을 가진다.

'육방정계 질화붕소'의 '결정 구조'와 '전자띠 구조'

3. '2차원 소재' 제작법

 2차원 소재 제작법은 덩어리 물질로부터 2차원 소재를 분리하는 Top-down 방식과 '기판(Substrate)' 위에 결정을 성장시키는 Bottom-up 방식으로 분류된다. 대표적 Top-down 방식으로는 '기계적 박리법(Mechanical Exfoliation)'과 '액상 박리법(Liquid Exfoliation)'이 있다. 한편, 대표적 Bottom-up 방식으로는 '화학 기상 증착법(CVD: Chemical Vapor Deposition)'과 '초고진공 에피턱시 합성법(Ultra Vacuum Epitaxy)'이 있다.

분류 2차원 소재 제작법
Top-down 방식 기계적 박리법(Mechanical Exfoliation)
액상 박리법(Liquid Exfoliation)
Bottom-up 방식 화학 기상 증착법(CVD: Chemical Vapor Deposition)
초고진공 에피턱시 합성법(Ultra Vacuum Epitaxy)
  1. 기계적 박리법(Mechanical Exfoliation): 2004년, 흑연으로부터 그래핀을 분리하는데 최초로 성공한 이래로 본격적인 2차원 소재 연구가 시작되었다. 흑연 덩어리 물질에 접착성 스카치테이프를 붙였다 떼었다 반복하며 몇 겹의 원자 층을 기계적으로 벗겨내는데 성공했고, 이러한 방법을 '기계적 박리법(Mechanical Exfoliation)'이라 지칭하게 되었다. 하지만, '기계적 박리법'을 통해 얻은 시료의 크기가 대부분 1μm 수준으로 매우 작다는 단점이 있다.
  2. 액상 박리법(Liquid Exfoliation): '액상 박리법'은 3차원 소재의 층상구조 특징을 이용하는 방법으로, 용액에 3차원 소재를 넣어 층간 간격을 넓힌 후 2차원 소재를 얻는 방법이다. 저렴한 비용으로 대량의 2차원 소재 제작이 가능하며, 주변 환경의 영향을 크게 받지 않는다는 장점이 있다. 그러나 '박막(Thin Film)'의 균일도가 떨어지며, 대면적 소재를 얻는 데 한계가 있다는 단점이 있다. 또 용매를 제거하는 과정에서 오염 발생 가능성이 높다는 점도 단점이다.
  3. 화학 기상 증착법(CVD: Chemical Vapor Deposition): '화학 기상 증착법(CVD)'는 주로 고온·저압에서 안정적인 가스를 이용해 하나 이상의 휘발성 전구체를 기판에 공급한 후, '전구체(Precursor)'와 기판 표면의 화학반응을 통해서 2차원 소재를 성장시키는 방법이다. '화학 기상 증착법'은 2차원 소재의 층수 조절이 용이하며, '웨이퍼(Wafer)' 크기 수준의 대면적 합성이 가능하다. 그러나 민감한 합성 조건이 필요하고, 고품질 '박막(Thin Film)' 합성이 어렵다는 단점이 있다.
  4. 초고진공 에피턱시 합성법(Ultra Vacuum Epitaxy): '초고진공 에피턱시 합성법'은 '초고진공(Ultra-high Vacuum)' 상태에서 하나 이상의 물질을 기화시키고, 기화된 분자들을 '기판'에 공급하여, 기판의 결정축을 따라서 단결정 '박막(Thin Film)'을 합성하는 방법이다. 그러나 환경적인 요인 통제가 용이하여 고품질의 박막 성장이 가능하나, 고가의 장비가 필요하며, 합성 공정이 복잡하다는 단점이 있다.
    • MBE(Molecular Beam Epitaxy): '초고진공 에피턱시 합성법'의 대표적인 기술로 'MBE(Molecular Beam Epitaxy)' 기술이 있다. 'MBE(Molecular Beam Epitaxy)' 기술은 초고진공 상태에서 증발된 결정 재료가 분자나 원자 형태로 빔을 형성하여 기판 위에 도달한 후, 기판 표면과 반응하여 결정을 성장시키는 방법이다.
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4. '2차원 소재' 제작 연구

 현재는 위에서 소개된 제작법 등을 통해, 2차원 소재 제작 연구가 활발히 진행되고 있다.

  1. 그래핀(Graphene): 그래핀의 경우, 2014년에 대면적 제작에 성공했고, 2024년 현재는 고품질의 그래핀 합성 및 시료 품질 확인을 위한 연구가 진행되고 있다.
  2. MoS2: MoS2의 경우, 2015년에 '화학 기상 증착법(CVD)' 등의 방법을 이용해 4인치 크기의 균일한 소재를 합성하는데 성공하였다.
  3. 흑린(Black Phosphorus): 2024년 기준, 흑린의 대면적 합성 기술은 아직 정립되지 않았다. 다만 최근에는 학계에서 흑린의 '대면적 합성 기술' 확보를 위한 다양한 시도들이 이루어지고 있다.

4-1. 2차원 자성 소재

 '자성 소재'는 '자성'을 가진 소재이다. '자성(Magnetism)'은 자석이 갖는 특유한 물리적인 성질을 말한다. '자성 소재'에서도 2차원 소재 합성에 성공했다는 연구 보고가 나오고 있다.

  1. 2016년에 2차원 자성 소재 FePS3 합성에 성공했다는 논문이 발표되었다.
  2. 2017년에 2차원 자성 소재 Crl3, Cr2Ge2Te6 합성에 성공했다는 논문이 발표되었다.

 FePS3는 '반강자성(Anti-Ferromagnetism)' 특성을 지니고, Crl3, Cr2Ge2Te6는 '강자성(Ferromagnetism)' 특성을 지닌다. '강자성(Ferromagnetism)'이란 막대자석처럼 외부 자기장이 없는 상태에서도 '자화(Magnetization, 물체가 자성을 지니는 현상)'되는 물질의 자기적 성질을 말한다. 한편 '반강자성(Anti-Ferromgnetism)'은 전자의 '자화'가 인접한 자화와 균일하게 반대로 정렬하여 순 자성이 없는 상태를 지칭한다.

4-2. 육방정계 질화붕소

 '육방정계 질화붕소(Hexagonal Boron Nitride)'는 대면적 합성이 가능하다. 하지만 결정 구조 내에 정교한 제어가 불가능한 결정 결점이 있어, 이를 극복하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

  1. '2차원 육방정계 질화붕소'의 발견(2010): 2010년에 '2차원 육방정계 질화붕소'의 발견 연구가 보고되었다.
  2. '볼 밀링' 방법으로 소재 제작이 시도됨(2011): 2011년에 '볼 밀링(Ball-milling)' 방법으로 소재 제작이 시도되었다. 그러나 박막 사이즈와 두께 조절의 어려움, 오염 등의 문제점이 존재했다. '볼 밀링(Ball-milling)'은 고속으로 운동하는 구술을 이용해 '육방정계 질화붕소' 덩어리 결정에 직접적으로 전단응력을 가해 반데르발스 결합을 끊고 2차원 구조로 분리하는 방법이다.
  3. 면적 다층 육방정계 질화붕소를 고품질로 합성(2016): 2016년에 열팽창계수의 차이가 작은 사파이어를 기판으로 사용하여, 대면적 다층 육방정계 질화붕소를 고품질로 합성한 결과가 보고되었다.

5. '2차원 소재' 적용 연구

 2차원 소재를 다양한 산업 분야에 적용하기 위한 소재 적용 연구도 활발히 진행되고 있다.

5-1. 디스플레이(Display)

 '디스플레이(DIsplay)'의 핵심 요소인 '투명 전극(Transparent Electrode)'과 '트랜지스터(Transistor)'에 2차원 소재를 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

  1. 투명 전극(Transparent Electrode): '그래핀(Graphene)'에서 기존의 대표적 투명전극인 '인듐 주석 화합물(ITO: Indium Tin Oxide)'에 근접하는 전류 및 밝기 효율이 2012년에 보고되었다. '인듐 주석 화합물(ITO)'은 주로 '디스플레이', '터치스크린(Touch Screen)' 등에 사용되는 대표적인 투명전극 소재로, 가격이 비싸고 유연성이 덜어진다는 단점이 있다. '그래핀'의 우수한 전기전도도와 가시광선에 투명한 특성은 '투명전극'으로서 적합하다.
  2. 트랜지스터(Transistor): '2차원 소재로만 이루어진 트랜지스터(All-2D Transistor)' 구현 연구 결과도 보고되었다. 흑린을 이용한 p형 및 n형의 전계 스위칭 소자가 구현됐고, 이를 이용해 흑린만으로 이루어진 '시모스(CMOS: Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)' 회로 구성이 가능하다는 사실이 2015년에 보고되었다.

5-2. 초경량·초강력 소재

 '그래핀(Graphene)'은 얇고, 가벼우면서 철강에 비견하는 강도를 가지고 있어 '우주선(Spaceship)', '우주복(Space Suit)' 등의 소재로서 주목받고 있다.

  1. 우주선(Spaceship): 우주선의 경로에 존재하는 먼지 입자 또는 원자 충돌에 의한 초소형 우주선 손상을 방지하기 위해, 그래핀을 이용해 얇은 이중 차폐막을 만드는 아이디어가 2017년에 제안되었다.
  2. 우주복(Space Suit): '한국과학기술연구원(KIST: Korea Institute of Science and Technology)'와 '미 항공우주국(NASA: National Aeronautics and Space Administration)'는 2017년에 공동으로 우주복을 만드는데 이용할 수 있는 '육방정계 질화붕소 나노튜브(BNNT)' 소재를 개발하였다. 이 소재는 옷처럼 가볍고 유연하면서도 다양한 방사선을 막아주는 우주복을 만드는데 이용할 수 있다. '육방정계 질화붕소(BN)'은 평면 소재인 그래핀의 탄소를 붕소와 질소로 치환한 소재이다. 그리고 '나노튜브(Nanotube)'는 지름이 수 nm에서 수백 nm 크기의 터널 구조를 가진 통 모양 분자나 분자 집합체를 의미한다. 즉 'BN 나노튜브(BNNT)'는 '육방정계 질화붕소(BN)'를 터널 구조를 가진 통 모양으로 만든 것이다.

5-3. 바이오(Bio)

2차원 소재를 이용해 생물과 기계를 연결하거나, 동물의 뇌 구조를 모사해 동물 실험 대체 가능성을 제시하는 연구 결과들이 보고되고 있다.

  1. 뇌와 기계를 연결하는 고효율 뇌신경 탐침 개발: '그래핀(Graphene)'과 '나노와이어(Nano-Wire)' 기술을 접목해, 인간 뇌와 기계를 연결할 수 있는 고효율 뇌신경 탐침 개발에 성공하였다. '전기 자극을 통한 뇌질환 치료', '로봇과 인체 결합' 기술에 응용이 기대된다.
  2. 신축성 있는 전자 피부 제작: 2014년에는 그래핀과 금속섬유를 이용해 신축성 있는 전자 피부 제작에 성공하였다는 내용이 보고되었다.
  3. 실제 뇌의 구조를 모사하는 3차원 인공 신경 네트워크 구현: 2017년에는 '산화 그래핀(GO: Graphene Oxide)'을 이용해 동물의 실제 뇌의 구조를 모사하는 3차원 인공 신경 네트워크 구현에 성공했다는 내용이 보고되었다. 이는 동물 실험의 윤리적인 문제뿐만 아니라, 여러 생체조직의 3차원 모사에도 널리 이용될 것으로 기대된다.

5-4. 센서(Sensor)

 '2차원 소재(2DLMs)'는 두께에 비해 표면적이 넓어 센서에 적합하다.

  1. 큰 압력까지 감별이 가능한 3차원 압력 센서: 그래핀과 공기를 이용해 손가락이 스치는 힘부터 사람 몸무게로 누르는 큰 압력까지 감별이 가능한 3차원 압력 센서가 제작되었다는 내용이 2017년에 보고되었다.
  2. 고민감도의 가스센서(흑린): '흑린(Black Phosphorus)'은 고민감도의 가스센서로 응용하기 위한 연구가 진행 중이다. '흑린은 질소를 포함하는 분자가 흡착하면, 단분자 단위의 전도성 변화가 예상된다'는 내용의 논문이 2017년에 나왔다.
  3. 고민감도의 가스센서(전이금속 디칼코게나이드): '전이금속 디칼코게나이드'도 고민감도 가스센서로 응용하기 위한 연구가 진행중이다. '전이금속 디칼코게나이드'는 가스 분자들이 화합물 표면에 접착시 전하수송에 의해 전기적 특성이 민감하게 변화한다는 특성이 있다.

5-5. 음극재(Anode Materials)

 '그래핀(Graphene)'을 '리튬 이온 전지(Lithium-Ion Battery)' 등의 음극재로 사용하여, 충전 용량을 늘리고, 충전 속도를 높이는 연구도 진행되었다.

  1. 3차원 그래핀을 합성해 전지의 '음극재(Anode Materials)'로 사용하여, 약 100mAh 수준의 정전용량을 약 300mAh까지 끌어올리는데 성공했다는 내용의 논문이 2016년에 발표되었다. 앞으로 전기자동차나 수소자동차에 응용이 기대된다.
  2. 2017년에는 '그래핀볼(Graphene Ball)'을 합성해 '리튬 이온 전지(LiB)'의 음극재로 사용함으로써, 기존의 '리튬 이온 전지'보다 충전용량은 45% 더 크고 충전 속도는 배 이상 빨라진다는 내용의 논문이 보고되었다.

5-6. 광소자

 '2차원 소재(2DLMs)'는 '자외선(UV: Ultraviolet Rays)'부터 '테라헤르츠파(Terahertz Wave)'에 이르기까지 다양한 빛과 상호 작용 가능하므로 '광소자'로서 활용 범위가 넓다.

  1. 2013년에는 트랜지스터 기반의 단일층 MoS2광검출 소자가 가시광선 영역에서 우수한 광반응을 보인다는 사실이 보고되었다.
  2. 2016년에는 '흑린(Black Phosphorus)'에 '수소(H, 원자번호 1)'나 '플루오린(F, 원자번호 9)'을 흡착하면, '에너지 전환 효율'이 무려 20%까지 증가하는 것으로 알려졌다. 이에 '태양전지(Solar Cell)' 등에 활용하고자 하는 연구가 활발해졌다.

5-7. 필터(Filter)

 '2차원 소재(2DLMs)'는 두께에 비해 표면적이 넓어 필터에도 적합하다. 물과 섞이지 않는 그래핀의 '소수성(Hydrophobicity)'을 이용해 '물의 여과' 및 '해수 담수화(Seawater Desalination)' 과정에 이용하기 위한 연구도 활발하게 진행되고 있다.

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6. '2차원 소재' 정책 동향

6-1. '중국'의 정책 동향

 중국은 정부차원에서 전략적으로 그래핀 연구개발을 추진하고 있다.

  1. 국가 혁신 촉진 발전 전략 요강(2016): 2016년 5월, '국가 혁신 촉진 발전 전략 요강'에서 주력 산업에 대한 개혁 및 혁신을 통해 새로운 산업을 촉진하고 일자리를 마련할 것을 제시했고, 신소재 산업 부문에서는 나노 소재 및 그래핀이 주력산업이라고 밝혔다.
  2. 13.5 규획 요강(2015): 2015년 11월, '13.5 규획 요강'에서 '그래핀', '슈퍼 신소재' 등 나노미터급 소재 개발에 집중할 것이라고 표명하였다.
  3. 중국 제조 2025(中國製造 2025): '중국 제조 2025(中國製造 2025)'를 달성하기 위한 10대 전략적 중점분야 가운데 그래핀이 포함되었다. '2020년까지 100억 위안 정도의 산업 규모로 확대하고, 2025년까지 전체 산업 규모 1000억 위완 이상으로 조성'이라는 중국 그래핀 산업에 관한 향후 10년 발전전략을 명시하였다.

6-2. '한국'의 정책 동향

  1. 제4기 나노기술 종합발전 계획(2016): '한국'은 '제4기 나노기술 종합발전 계획'에 그래핀 산업화 촉진을 위한 핵심기술 확보관련 내용을 포함시켰다.
  2. 2017년도 나노기술발전 시행계획(2017): '제4기 나노기술 종합발전 계획'에 따라 '17년도 나노기술발전을 위한 범부처 차원의 세부추진계획인 '2017년도 나노기술발전 시행계획'을 수립했고, 본 내용에 그래핀 및 2D 반도체 신소재 원천기술 개발 내용을 포함하였다.
  3. 그래핀 사업화 촉진 기술 로드맵(2015): 2015년 4월에는 미래 소재산업 선도국 실현을 위한'그래핀 사업화 촉진 기술 로드맵(2015~2020)'을 마련하였다. 원소재 생산기술 확보 및 전략적 상용화를 통해 그래핀 세계시장을 선점하기 위한 국가 차원의 전략로드맵을 제시하였다.

6-3. 그 외 정책 동향

  1. '일본'의 정책 동향: '일본'은 2015년에 나노 탄소 재료의 산업 응용을 위한 3가지 테마를 선정하여 실용화 개발에 착수하였다. 테마 중 하나는 '그래핀 양산 기술' 개발을 통해, 고품질이면서 저가인 '그래핀'을 시장에 공급하는 것을 목표로 하고 있다.
  2. '미국'의 정책 동향: '미국'은 '미국 국립 과학 재단(NSF: National Science Foundation)'을 중심으로 지속적으로 지원하고 있다.
  3. '유럽'의 정책 동향: 유럽은 '미래 유망 기술 플래그십 사업' 중 하나로 그래핀 관련 프로젝트를 추진하고 있다. 또한 그래핀 연구 활성화 및 유럽 경제성장과 일자리 창출을 목표로 기초·원천 연구부터 '부품 생산', '시스템 통합'에 이르는 연구 개발을 수행하고 있다. 한편, 영국의 '기술전략 위원회(Innovative UK)'는 '2017~2018 회계연도 사업 계획'에 그래핀 관련 내용을 포함하였다.

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