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KAIST부설 한국과학영재학교 온라인 과학매거진 코스모스

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선택적 전도와 절연을 하는 소재

에너지에 대해 다룰 때 절대 빠지지 않는 주제가 있다. 바로 열이다. 때로는 열을 이용해서 더 활용성이 많은 전기 에너지 등으로 전환할 수 있으나, 일상 속 대부분의 경우 에너지 변환에서 손실되는 열은 가공되기 어려운 것은 모두가 아는 사실이다. 에너지가 열로 손실되는 것은 반도체에 있어서 치명적이다. 먼저, 에너지가 손실된다는 것 자체가 반도체의 효율을 낮춘다. 더불어, 열에 취약한 반도체에서 이러한 에너지 손실은 최악이다. 이 문제를 해결할 중대한 연구를 2021년 시카고 대학에서 진행했다.

 


열이 층 사이를 통과하는 것을 방지하기 위해 약간 회전된 얇은 필름을 사용하는 새로운 재료의 시각화
이황화 몰리브덴과 층상구조

시카고 대학의 연구진에 따르면, 전도와 단열의 두 특성을 모두 보이는 물질을 발견했다고 한다. 그들은 이황화 몰리브덴 (MoS2) 결정으로 된 얇은 막을 층층이 쌓고, 그 구조물을 비틀어 새로운 물질을 얻을 수 있었다고 한다. 이황화 몰리브덴은 화학 기상 증착이라는 기술을 이용해 개별 층으로 분리될 수 있었다고 한다. 만들어진 최종 물질은 수평적으로는 좋은 열 전도체였지만, 층과 층 사이로는 열이 통하지 않는 절연체의 성질을 보였다. 이 물질은 열을 차단하는 것뿐 아니라, 열을 다른 장소로 보내는 데 이용될 수 있다고 한다.


금시초문일 수 있는 몰리브덴에 대해 조금 알아보자. 몰리브덴은 지구 매장량은 많지 않지만, 그럼에도 매우 다양한 장소에서 활용되고 있다. 황과의 화합물인 MoS2는 대표적인 2차원 전이 금속 칼코젠(16족) 화합물이다. 황뿐만 아니라 셀레늄, 텔루륨과 같은 칼코젠 원소와 화합물을 이루면 층상구조를 가지는 특성이 있다.


화학에서 층상구조는 물질이 층층이, 겹겹이 쌓아 올려진 구조로, 다양한 분야에서 나노 및 미세한 막을 만드는 데 사용된다. 몇 층을 쌓았는지에 따라 그 물질의 사용처가 달라지기도 한다. 층을 쌓아 올리기 위해서는(Layer by Layer, LbL) 수용액 상에서 양이온과 음이온으로 이루어진 물질을 번갈아 가면서 쌓아 올리는 방식을 주로 사용한다. 이렇게 만들어진 층상 구조물은 센서, 분리막, 의료 재료, 광학 장치, 전자 장치, 바이오센서 등 다양한 응용 분야에서 활용된다. 반대로 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)을 이용해 층을 분리해 낼 수 있다. 이는 기체상에서 화학적 반응을 통해 고체 박막을 생성하는 기술이다. 일반적으로 기체상의 전구체 물질을 반응기 내에서 열 또는 기타 에너지 공급을 통해 분해하고 표적 표면에 화학적으로 흡착하거나 증착시키는 과정으로 진행된다. CVD는 반도체 제조, 얇은 필름 코팅, 나노물질 합성, 보호 코팅, 촉매층 형성 및 다양한 산업 분야에서 중요하게 사용되며, 고부가가치 제품 및 소자 제조에 기여한다.


새로운 소재의 원리를 간략히 나타낸 그림
U Chicago의 연구에 대해

Nature에 실린 시카고 대학 연구진들의 논문을 간추려 번역해 보았다.


열의 이동을 관리하는 것은 전자 및 엔지니어링 분야에서 주요 과제다. 분야의 종사자들은 열을 전도하거나 단열하는 재료를 이용하여 열의 이동을 제어한다. 일반적인 소재들은 단열, 전도 둘 중 하나의 특성만을 보인다는 사실에서 한 방향에서는 열을 차단하지만, 다른 방향으로는 열을 전도하는 소재를 착안했다.


전자 부품의 과열은 시스템 전체에 영향을 미치는 성가신 부산물이다. 이 문제를 해결하기 위해 그동안 팬, 쿨러, 등을 설치해 과열을 막았다. 그러나 전자 제품이 계속 작아짐에 따라 냉각 또는 환기 시스템을 위한 공간이 줄어들었다. 이에, 민감한 부품이 주변 요소들로부터 열을 받아 뜨거워지지 않도록 하는 것이 중대한 문제가 되었다.


새로운 연구에서 시카고 대학의 연구원들은 문제 해결에 적합한 재료를 만드는 방법을 발견했다. 이 새로운 물질은 절연체나 도체가 아니라 동시에 두 가지 역할을 할 수 있어, 열이 한 방향으로 이동하는 것을 방지하지만 다른 방향으로는 자유롭게 이동할 수 있도록 했다.

핵심은 이황화 몰리브덴의 층이었다. MoS2는 일반적으로 좋은 열 전도체이지만, 이들을 조금 쌓은 다음 각 시트를 약간 회전시키면 열이 수직으로 층 사이를 완전히 통과할 수 없다는 것을 발견했다. 그러나 여전히 시트 자체를 통해 수평으로 이동할 수 있었다.


전자제품의 일부 부품이 고온에서 매우 불안정하기 때문에 그 규모에서 열을 처리하는 역할을 맡을 수 있다. 열을 전도하고 동시에 열을 단열할 수 있는 재료를 서로 다른 방향으로 사용할 수 있다면 장치의 더 취약한 부분을 피하면서 배터리와 같은 열원에서 열을 빨아들일 수 있다. 실제로 이 기술은 열을 차단할 뿐만 아니라 열을 멀리 전달하는 열 차폐 장치를 만드는 데 사용될 수 있다. 이는 배터리와 같은 구성 요소가 근처의 민감한 전자 제품을 가열하는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 자체적으로 갇힌 열로 인해 스스로 손상되는 것을 방지할 수 있다. 이 기술은 또한 더 효과적인 열전 발전기(뜨거운 쪽과 차가운 쪽 사이의 온도 차이를 통해 전류를 생성하는 장치)를 만드는 등 다른 방법으로 전자 장치를 개선할 수도 있다. 시카고 대학의 연구원들은 이 효과를 가능하게 하는 물질이 이황화 몰리브덴만이 아닐 수도 있다고 말한다. 그들은 동일한 배열의 다른 물질도 이 효과를 끌어낼 수 있다고 발표했다.


이황화 몰리브덴 박막

MoS2를 CVD로 생성하려면 기체 상태의 몰리브덴(Mo)과 황(S)의 화학적 반응을 통해 MoS2 박막을 생성해야 한다. 일반적으로 MoS2 CVD 프로세스에서는 다음 단계가 수행된다.


1. 전구체 가스 공급: 몰리브덴과 황의 전구체 가스를 CVD 시스템에 공급합니다. 이들 가스는 일반적으로 흡기 또는 기체 통로를 통해 시스템 내로 공급된다.

2. 화학 반응: 전구체 가스가 CVD 시스템 내에서 열 또는 다른 에너지 소스를 통해 화학적으 로 반응하여 MoS2 박막을 형성한다. 이 과정은 몰리브덴과 황의 원자가 반응하여 MoS2 로 구성된 박막을 생성하는 것을 포함한다.

3. 타깃 표면에 박막 증착: 생성된 MoS2 박막은 CVD 시스템 내에서 타깃 표면에 증착한다. 타깃 표면은 일반적으로 원하는 기판 또는 기재(예: 실리콘 웨이퍼)로 구성된다.

4. 조절 및 성장: MoS2 박막의 두께 및 특성은 CVD 프로세스 조건을 조절함으로써 제어한 다. 이로써 원하는 두께 및 특성의 MoS2 박막을 형성할 수 있다.

CNT와 유사하지 않은가?

사실 연구 논문을 읽으면서 가장 처음 들었던 생각은 CNT이다. 탄소나노튜브(CNT)를 그래핀이라는 탄소 박막을 비틀어 만든 소재라 할 수 있기에 비슷하다고 생각할 수 있다.


그래핀(상)과 MoS2(하)의 구조를 비교한 그림.

하지만 두 소재는 많은 면에서 다르다. 그래핀은 순수 탄소로 구성된 이차원 시트로 이루어져 있으며, 탄소 원자들이 육각 격자 형태로 배열되어 있다. 반면, MoS2는 몰리브덴(Mo)과 황(S) 원소로 이루어진 화학 화학 조성을 가지며, 몰리브덴 원자들이 중심에 있고, 황 원자들이 몰리브덴 주위에 쌓여 있는 구조를 가지고 있다. 그래핀은 우수한 전도체로, 일렉트론이 자유롭게 이동할 수 있어 전기 전도성이 뛰어나며, 고전도성을 보인다. MoS2는 반도체 소재로, 전기 전도성이 그래핀보다 훨씬 낮다. 이것은 MoS2가 에너지 갭을 갖고 있어 전자가 전이할 수 없도록 막지만, 그래핀은 에너지 갭이 없어 전기 전도성이 뛰어난 것과 관련이 있다. 띠틈이 없는 그래핀과 달리 적절한 띠틈이 있다. 띠틈은 전도띠와 원자가 띠 사이의 에너지 간격을 의미하며, 도체는 띠틈이 없으며, 부도체는 띠틈이 넓다. 또한, 그래핀은 모든 가시광선을 투과하고, 반사하지 않아 투명한 소재다. 이러한 특성은 광학 응용 분야에서 유용하게 사용된다. MoS2는 두께에 따라 광학 특성이 변화하며, 단층 MoS2는 짙은 색의 흡수 밴드를 가지고 있다. 이것은 광센서 및 광학 소자의 설계에 활용된다.


 

전진욱 학생기자 | 화학생물 | 지식더하기


참고자료

[1] Kim, Shi En, et al. “Extremely anisotropic van der waals thermal conductors.” Nature, vol. 597, no. 7878, 2021, pp. 660–665, https://doi.org/10.1038/s41586-021-03867-8. 

[2] Spacek, Neuroncollective.com (Daniel. “Twisted Material Conducts and Insulates Heat at the Same Time.” New Atlas, 4 Oct. 2021, newatlas.com/materials/heat-conductor-insulator-material-electronics/.

[3] “Two-Dimensional Materials for Flexible Electronics: Imm Container.” Two-Dimensional Materials for Flexible Electronics | IMM Container, www.imm.cnr.it/articles/two-dimensional-materials-flexible-electronics. Accessed 7 Nov. 2023.


첨부한 이미지 출처

[1] https://newatlas.com/materials/heat-conductor-insulator-material- electronics/

[2] https://www.nature.com/articles/s41586-021-03867-8

[3] https://www.imm.cnr.it/sites/default/files/styles/large/public/field/image/

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