2차원 소재의 특성과 응용에 관한 심화 탐구

전북과학고등학교

(Exploring the Properties and Applications of Two-Dimensional Materials)

– 그래핀–TMD 이종접합 전자소자와 h-BN 기반 방열소재를 중심으로 –

저자 : 전북과학고등학교 손장현 김성진 이진우 곽희용

가. 서론

21세기 들어 디지털 기술과 정보통신기술(ICT)의 급속한 발전으로 인공지능, 사물인터넷, 자율주행, 스마트의료, 차세대 에너지 산업 등 다양한 분야에서 요구되는 고성능 디바이스들은 더 작고, 더 빠르며, 더 적은 에너지로 더 많은 데이터를 처리할 수 있는 기술적 기반을 필요로 한다. 기존의 실리콘 기반 벌크 소재는 오랫동안 반도체 및 전자 산업을 지탱해 온 핵심 재료였으나, 물리적 한계가 점차 뚜렷해지고 있다. 크기 축소에 따른 누설전류 증가, 발열 문제, 전하 이동속도 포화, 그리고 소재 자체의 유연성 부족은 차세대 전자소자의 요구 조건을 충족시키기에 부족함이 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위한 대안으로 주목받고 있는 것이 바로 2차원(2D) 소재이다. 2D 소재는 단 한 층의 원자 두께를 가지며, 그 구조적 단순성과 극도로 얇은 두께에도 불구하고 매우 독특한 물리적 성질을 보인다. 높은 전기 전도도, 뛰어난 열전도도, 기계적 유연성, 그리고 특이한 양자역학적 전자 구조는 기존 소재가 갖지 못한 기능적 가능성을 제공한다. 대표적인 2D 소재로는 그래핀(graphene), TMD, h-BN 등이 있으며, 이들은 각각 고유한 전기적, 광학적, 열적 특성을 바탕으로 미래 기술의 핵심 소재로 연구되고 있다. 본 보고서에서는 이러한 2D 소재의 대표적인 응용 사례로, 그래핀–TMD 이종접합 구조가 전자소자에서 어떤 역할을 수행할 수 있는지와 h-BN이 방열소재로서 갖는 기술적 장점과 활용 가능성을 중심으로 탐색할 것이다. 이를 통해 각각의 2D 소재가 실질적인 기술 문제 해결에 어떻게 기여할 수 있는지를 과학적 근거와 함께 탐색하고, 향후 연구와 응용의 방향성을 제시하고자 한다

나. 그래핀–TMD 이종접합 구조

1) 그래핀

그래핀은 탄소 원자가 sp² 혼성 궤도 상태로 육각형 벌집구조를 이루는 단일 원자층 물질로, 2004년 처음 단일층으로 분리된 이래 과학계의 이목을 집중시켜왔다. 그래핀의 가장 큰 특징은 준금속적 성질이다. 이는 전자 밴드 구조상 밴드갭이 존재하지 않고, 전도대와 가전자대가 디랙점(Dirac Point)에서 만나며, 전자와 정공의 유동성이 대칭적이다. 이로 인해 매우 빠른 전자이동도(2×10⁵ cm²/V·s)와 높은 전기전돝`도를 나타낸다.

2) TMD

TMD는 화학식 MX₂ (M: 전이금속, X: 칼코겐 원소)로 이루어지며, 대표적으로 MoS, WS, MoSe₂ 등이 있다. 이들은 층상 구조를 가지며, 각 층은 강한 공유결합으로 결합되어 있고, 층과 층 사이는 반데르발스 힘으로 유지된다. 특히 단일 층일 경우 직접 밴드갭(1.82.0 eV)을 나타내며, 이는 광전자 소자에 이상적이다. 반면 다층 구조에서는 간접 밴드갭(1.21.5 eV)로 바뀌어 발광 효율은 떨어지지만 전기적 안정성이 높아진다.

3) 이종접합 구조

그래핀은 탄소 원자들이 sp² 결합으로 육각형 격자를 형성한 2D 물질로, 탁월한 전자이동도와 전기전도도를 지닌다. 그러나 밴드갭이 존재하지 않아 트랜지스터 등 스위칭 소자에 단독으로 사용하기에는 한계가 있다. 반면, TMD(Transition Metal Dichalcogenide)는 대표적으로 MoS₂, WS₂, MoSe₂ 등이 있으며, 단층 구조일 경우 직접 밴드갭을 갖는 반도체로 기능한다. 이러한 특성은 광흡수, 전하 생성에 매우 유리하다.

그래핀과 TMD를 수직으로 적층하면, 두 소재의 전기적 특성이 보완적으로 결합된 이종접합 구조를 형성할 수 있다. TMD는 광학적 밴드갭을 통해 전자-정공 쌍을 생성하고, 그래핀은 생성된 전자를 고속으로 수송하는 경로를 제공한다. 이 과정에서 페르미 준위의 불일치로 인해 계면 전기장이 생성되며, 전하 분리 효율이 극대화된다.

4) 활용성

그래핀–TMD 이종접합 구조는 각기 다른 전자적 특성을 가진 두 2차원 소재의 조합을 통해 고성능 전자소자를 구현할 수 있는 구조다. 예를 들어, 단층 MoS₂와 같은 TMD는 직접 밴드갭을 가지므로 가시광선 및 근적외선 파장의 빛을 효과적으로 흡수할 수 있으며, 이를 통해 생성된 전자-정공 쌍은 그래핀과의 계면에서 분리되어 전류로 전환된다. 그래핀은 전기전도도가 높고 투명성이 뛰어나므로 이 전자들을 빠르게 수송하고 광응답 속도를 향상시킨다. 이러한 특성을 기반으로 한 이종접합 구조는 고감도 광센서나 투명 태양전지 등에 활용될 수 있으며, 실제로 응답 속도가 수십 μs 수준인 초고감도 광검출기가 개발된 바 있다. 또한, 그래핀의 고속 전도성과 TMD의 밴드갭 제어 능력을 결합하면 고속 스위칭과 낮은 전력 소비를 동시에 만족하는 차세대 트랜지스터 구조도 가능하다. 이러한 구조는 FET(Field Effect Transistor)나 논리회로, 메모리 소자와 같은 다양한 전자소자에 적용할 수 있으며, 유연하고 투명한 디바이스로도 확장될 수 있다. 최근에는 플렉서블 디스플레이, 웨어러블 센서, 스마트 유리 등 차세대 전자기기 분야에서도 그래핀–TMD 이종접합 기반 소자의 응용 가능성이 활발히 연구되고 있다.

다. h-BN의 열전도 특성을 이용한 방열소재

1) h-BN

h-BN은 육각형 평면구조를 가지며, 그래핀과 유사하지만 전기적 특성은 정반대이다. 전기적으로는 밴드갭이 약 5.97 eV에 달하는 절연체로, 전기전도성이 거의 없다. 그러나 층간 결합은 느슨하고 열전도 경로는 매우 효율적이어서, 고도로 발달된 열전도 특성을 나타낸다. 이론적으로 h-BN의 열전도율은 600 W/m·K 이상으로, 실리콘보다 4배 이상 높고, 많은 금속보다도 뛰어나다. 동시에 내열성, 화학적 안정성도 매우 높아 고온 및 극한 환경에 적합하다.

2) 활용성

h-BN은 그래핀과 유사한 육각 결정 구조를 가지면서도 전기 절연성과 높은 열전도성을 동시에 지닌 매우 독특한 2차원 소재로, 다양한 고발열 전자소자에서 방열소재로 주목받고 있다. 특히 h-BN은 밴드갭이 약 5.97 eV에 달해 전자 이동이 거의 없고, 이론상 600 W/m·K 이상의 열전도율을 보여 전기 절연이 필요한 고전압 회로나 민감한 반도체 부품에 적합한 방열층으로 기능할 수 있다. 이러한 특성 덕분에 h-BN은 전력 반도체 기판 하부에 열을 수평으로 퍼뜨리는 인터페이스 소재로 사용되거나, 배터리 셀 간의 열격벽으로 활용되어 셀 간 열전달을 억제하고 열폭주 위험을 줄이는 데 도움이 된다. 실제로 전기차 배터리 업체에서는 세라믹–고분자 복합체 형태의 h-BN 필름을 개발하여 셀 사이 절연·방열 필름으로 적용하는 연구를 진행 중이다. 더불어 h-BN은 피부에 닿는 스마트기기에도 응용되며, 생체적합성과 유연성을 바탕으로 웨어러블 전자소자의 방열 보호층으로 쓰일 수 있다. 피부 접촉형 센서에서 발생하는 미세한 열을 외부로 전달하면서도 전기적 누설을 방지할 수 있기 때문에, 전자피부(e-skin), 체온 모니터링 기기, 전자 패치 등의 인체 착용형 기술에 적합하다. 또한 h-BN은 LED나 레이저 다이오드와 같은 고발열 광소자의 패키징 소재로도 사용되어, 열을 빠르게 외부 히트싱크로 전달하고 동시에 고전압 회로를 절연하여 소자의 수명과 안정성을 높이는 데 기여하고 있다.

라. 결론

그래핀, TMD, h-BN과 같은 2차원 소재들은 원자 단위의 두께에서 발현되는 물리적·화학적 특성 덕분에 기존의 소재가 해결하지 못한 다양한 기술적 한계를 극복할 수 있다. 그중에서도 그래핀–TMD 이종접합 구조는 각각의 소재가 가진 전도성, 밴드갭 제어 능력, 광응답 특성 등을 활용하여 고감도 광센서, 유연 태양전지, 고속 트랜지스터 등 차세대 전자소자에 적용할 수 있는 가능성을 보이고 있다. 특히 전자 이동성과 정밀 제어 특성을 동시에 요구하는 차세대 디바이스 환경에서 그래핀과 TMD의 이종결합 소재는 기존 기술의 한계를 넘어설 수 있는 유력한 대안이다. 동시에 h-BN은 고열 환경과 절연이 동시에 요구되는 전자기기, 전력소자, 배터리 시스템 등에서 전기 절연성과 고열전도성을 결합한 특성을 통해 방열 문제를 구조적으로 해결할 수 있는 핵심 소재로 부상하고 있다. h-BN은 또한 생체적합성과 유연성까지 갖추고 있어 웨어러블 전자기기나 인체 접촉형 센서 등의 분야에서도 활용도가 높으며, 기존 금속 방열재나 절연체의 문제점과 한계점을 해결할 수 있다. 이처럼 2D 소재의 활용은 전자소자의 성능 향상, 에너지 효율 개선, 소형화 및 유연화 등 기존의 소재가 가지고 있던 문제의 해결에 큰 도움이 될 수 있으며, 향후 연구가 계속될 경우 상용화 단계로의 진입도 충분히 가능할 것으로 기대된다.

마. 출처

[1]Chhowalla, M., et al. (2013). The chemistry of two-dimensional layered transition metal dichalcogenide nanosheets. Nature Chemistry, 5(4), 263–275.

[2]Wang, H., et al. (2014). Integrated Circuits Based on Bilayer MoS₂ Transistors. Nano Letters, 14(12), 6614–6619.

[3]Son, I. H., et al. (2017). Graphene balls for lithium rechargeable batteries with fast charging and high volumetric energy densities. Nature Communications, 8(1), 1561.

[4]Sharker, S. M., et al. (2019). Hexagonal boron nitrides (white graphene): A promising nanomaterial for cancer drug delivery and other biomedical applications. International Journal of Nanomedicine, 14, 2859–2872.

[5]Infineon Technologies AG. (2021). Thermal Management in Power Electronics: Interface Materials and Packaging. [White paper]

[6]LG Energy Solution. (2022). Thermal Barrier Materials for EV Battery Safety. [기술 발표자료]