대한민국 반도체 산업을 주도할 2차원 물질, TMD(Transition Metal Dichalcogenid)가 도대체 뭘까 ? - 가치 분석과 전망

대한민국 반도체 산업을 주도할 2차원 물질, TMD(Transition Metal Dichalcogenid)가 도대체 뭘까 ? - 가치 분석과 전망

 

 

안녕하세요 만물창고입니다.

 

오늘은 향후 미래 반도체 산업을 주도할 '2차원 물질' 에 대해 알아볼텐데요.

 

대한민국의 고부가가치 산업으로 정말 중요하게 점쳐지는 것이 반도체죠.

 

이 반도체 산업에 있어 향후 미래를 책임질 혁신적인 물질이 있다고 하는데요.

 

바로 그래핀으로부터 시작된 'TMD(Transition Metal Dichalcogenid)' 입니다.

 

그럼 이 TMD가 뭐길래 이렇게 혁신기술로 받아들여지고 있고 그 가치와 활용성을 살펴보도록 할께요.

 

먼저 TMD를 알아보기 전에 이 기술이 나오게 된 시초인

 

그래핀에 대해 알아보려하는데요.

 

그래핀은 세계경제포럼에서 선정한 2016년 10대 유망기술 중 2차원 소재(Two Dimentional) 소재에 소개된

 

그래핀(Graphene) 이라는 최첨단 소재 입니다. 

 

사진 = 마이너리티 리포트 中

 

영화에서만 보던 신기한 기술들 있죠 ?

 

예컨데 영화 '마이너리티 리포트' 에서 유리창과 같은 투명한 모니터에 화면을 띄우고

 

이곳저곳 터치하며 움직이는 장면을 보신 적이 있으실겁니다.

 

터치하다가 끝나면 돌돌 말아 주머니에 넣을 수도 있는 일종의 미래 기술들을 구현해낼

 

엄청난 소재 입니다.

 

그래핀이라는 이 소재는 플렉서블 센서부터 항공기 날개 등에 이르는 여타 모든 산업 분야에 활용될 수 있으며

 

단일 원자층으로 된 소재 가운데 가장 잘 알려져있는데요.

 

이 그래핀은 과학자들에게 새로운 가능성의 문을 열어주었죠.

 

그래핀은 2004년 러시아 출신의 물리학자 안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프가 연필심에 스카치 테이프를 붙여

 

떼어낸 뒤, 테이프에 달라붙은 흑연 가루를 반복해서 유리 테이프로 떼어내는 방식으로

 

그래핀을 처음으로 분리하는데 성공하였는데요.

 

2010년에 이 두 과학자는 이 유리 테이프를 통해 그래핀을 분리해내는 공로 하나로

 

노벨 물리학상을 수상하기도 하였습니다. 

 

이 그래핀의 물리적, 화학적 기능은 현존하는 어떤 물질보다도 뛰어나고 활용 범위도 넓어서

 

가벼우면서 내구성이 강한 물체를 만들어 비행기, 자동차, 건축자재 등에 사용되고 있으며

 

섬유산업에도 적용되어 가장 가볍고 안전한 전투복과 방탄복을 만들어낼 수 있는 정말 그 가치가 어마어마한 소재이죠.

 

또한 빠른 전기전도도 덕에 단점으로 꼽히는 전기저항을 줄여 의료산업에도 큰 활용이 예상되고 있습니다.

 

또한 전기저항 정도에 따라 OLED 디스플레이 및 태양전지

 

PDP 광학필터 및 전자차폐제, 터치스크린 등에 활용될 전망이기도 하죠.

 

하지만 이 그래핀은 현재까지 안정적으로 생산해내는 기술이 개발되지 않아

 

그 연구가 활발히 이루어지고 있습니다.

 

머지 않아 영화에서만 보던 것들이 실현되는 세상에서 살게 되지 않을까 생각을 해보곤 합니다.

 

하지만 그래핀은 전기저항이라는 단점말고도

 

현존하는 가장 고부가가치 산업인 반도체 산업에서

 

반도체 소재로 사용하기 위해 필수적인 '밴드갭'이 없다는 단점이 있는데요.

 

 

이 밴드갭은 전자가 넘어가면서 자유전자가 생기고, 안생기고를 결정하는데

 

이는 즉 켜고 끌 수 있는가? 를 결정하는 문제가 됩니다.

 

반도체는 이렇게 끄고, 킬 수 있는 소자가 필수적인데

 

그래핀은 밴드갭이 없기 때문에 이런 것을 실현시킬 수 없었습니다.

 

하지만 이런 한계점을 넘어서서 나온 소재가 바로

 

'TMD(Transition Metal Dichalcogenid)'

 

  입니다.

 

 

이 TMD는 적당한 밴드갭을 가지고 있으며

 

합성 방법도 그래핀과 비슷하죠.

 

TMD는 쉽게 말해서 M이라는 전이금속과

 

칼코젠 X 를 Te(텔루륨)같은 소재를 합성시킨 것인데

 

MX2 층상구조 화합물을 바로 TMD라고 부르는 것 입니다.

 

한국에서의 실례로

 

2020년 5월 유니스트(UNIST)에서는

 

'모어 무어' 초미세 반도체 개발에 성공하는데요.

 

이는 2차원 전극 금속 물질

 

사진 = UNIST

 

즉, 텔루륨화 화합물을 웨이퍼 위에 대면적으로 합성하는데 성공하였죠.

 

이 결과는 Nature Electronics 에 소개되기도 하였습니다.

 

그렇다면 이 얇은 금속 전극을 합성하는 것에 대한 성공의 의의가 무엇일까요 ?

 

그것은 바로 반도체를 미세하며 만들며 오는

 

여러가지 문제점 중 하나인 '미세전극' 문제를 해결할 수 있습니다.

 

하지만 아직 반도체 산업에 적용하기에는 많은 시간이 소요된다고 전문가들은 말하는데요.

 

그 이유에는 그래핀에서도 발견되는 높은 전기저항과

 

반도체의 성능 향상을 위한 업그레이드 시켜줄 도핑이 불가하기 때문입니다.

 

또한 재현성이 떨어져 만들기가 너무 어렵다는 것이죠.

 

하지만 마지막에 언급한 이 재현성에 대한 과제는

 

앞서 말한 유니스트의 연구원들이 그 첫 단추를 꿰는데 성공하였기에

 

기대를 해봐도 좋을 것 같습니다.

 

이처럼 TMD 또한 그래핀과 같이 현재는 단점과 그 극복해야 할 요소들이 많은 최첨단 기술입니다.

 

실제로 전문가들은 이 기술이 더 deep한 영역까지 도달하기 위해서는

 

적어도 10년 이상의 시간이 걸릴 것으로 전망하고 있는데요.

 

미래를 선도할 고부가가치 기술이기때문에 10년도 이르다고 말하는 전문가도 있습니다.

 

하지만 이 산업이 더욱 더 기대되는 것은

 

기존의 반도체 산업이 1차원 적인 '점'으로 이루어진 소재의 활용이었다면

 

지금 다루고 있는 이 TMD는 2차원.

 

즉 이 2차원의 소재가 겹겹이 쌓여 3차원으로 이어져

 

현재와는 비교할 수 없는 성능과 기능을 가진

 

초고부가가치 산업으로 발전해나갈것이라는 점 입니다.

 

너무나도 기대되지 않나요 ?

 

영화에서만 보던 기술들이 실현되는 세상이 다가온다는 것이

 

한편으로는 무섭기도 하지만 기대되기도 합니다.

 

아직까지는 논문 단계로밖에 진입하지 못했지만

 

정밀한 연구와 전문 인력의 투입으로 그 기술이 실현되길 기원하면서

 

오늘의 글 마치도록 하겠습니다.

 

이상으로 만물창고였습니다 ^^